Разновидности, характеристики и сфера применения инфракрасных светодиодов

Что из себя представляют ИК-прожекторы

Инфракрасный прожектор фактически является аналогом обычного прожектора – состоит из специальной рассеивающее-фокусирующего корпуса и источника излучения – лампы или светодиодов. При изготовлении современных приборов лампы практически не используются. Светодиодные модели отличаются рядом преимуществ:

• требуют мало энергии для работы;
• обладают большой дальностью освещения при малой мощности;
• имеют малые размеры;
• удобно, легко и быстро монтируются;
• не греются, отвечают нормам пожаробезопасности;
• долго служат;
• большой выбор моделей по размерам, форме, дальности действия и параметрам освещения.

Инфракрасные светодиодные излучатели способны работать до ста тысяч часов. Температура нагрева прибора не превышает 70 градусов, что допустимо даже для объектов с повышенными требованиями к пожарной безопасности.

Разновидности ИК излучающих диодов

Ассортимент светодиодов работающих в инфракрасном спектре насчитывает десятки позиций. Каждому отдельному экземпляру присущи определённые особенности. Но в целом, все полупроводниковые диоды ИК диапазона можно разделить по следующим критериям:

• мощности излучения или максимальному прямому току;
• назначению;
• форм-фактору.

Слаботочные ИК светодиоды предназначены для работы на токах не более 50 мА и характеризуются мощностью излучения до 100 мВт. Импортные образцы изготавливаются в овальном корпусе 3 и 5 мм, который в точности повторяет размеры обычного двухвыводного индикаторного светодиода. Цвет линзы – от прозрачного (water clear) до полупрозрачного голубого или жёлтого оттенка. ИК излучающие диоды российского производства до сих пор производят в миниатюрном корпусе: 3Л107А, АЛ118А. Приборы большой мощности выпускают как в DIP корпусе, так и по технологии smd. Например, SFH4715S от Osram в smd корпусе.

От чего зависит цвет светодиода

Варианты получения излучения белого светодиода При изготовлении светодиодов применяются различные типы полупроводниковых материалов, выбор которых определяет излучаемый ими цветовой оттенок.

Умение различать цвет – врожденное свойство человеческого глаза, способного с большой точностью улавливать его градации. Оно неразрывно связано с длиной волны квантового излучения, которое несут с собой электромагнитные волны определенной частоты. В данном случае световые импульсы формируются на границе полупроводникового перехода светодиода.

При исследовании свойств различных полупроводников на ранней стадии их изучения учеными были выявлены такие материалы, как фосфид галлия, а также тройные соединения AlGaAs и GaAsP. При их использовании удавалось получать красное и желто-зеленое излучение. Сегодня с целью получения различных сочетаний цветов применяются более сложные по структуре комбинации алюминия с индием и галлием (AllnGaP) или индий-нитрид галлия (InGaN). Эти полупроводники способны выдерживать значительные по величине токи, что позволяет получать от них высокую световую отдачу.

Определение ИК-подсветки и ее необходимость

ИК-подсветка предназначена для ночного видеонаблюдения, так как сама по себе камера в темноте не различает предметы

При попадании солнечного света на объектив часть излучения поглощается, а часть отражается. Сенсоры улавливают отраженное излучение и регистрируют. Затем в обрабатывающем модуле сигнал форматируется в цифровой и в таком виде записывается или передается на устройство. Однако у такой системы есть недостатки: когда уровень освещения становится слишком низким, разница между поверхностями и объектами оказывается слишком маленькой и сенсоры ее не улавливают. В темноте устройство беспомощно.

Инфракрасная подсветка для камер эту проблему решает. Устройство испускает инфракрасное излучение. Для человеческих глаз оно невидимо, однако сенсоры улавливают отраженный сигнал и фиксируют, формируя изображение по обычной схеме.

Качество «картинки» невысокое: изображение получается монохромным, «плоским», однако вполне четким, так как температура живых и неживых объектов отличается довольно сильно.

Мощные инфракрасные светодиоды

Для изготовления мощного инфракрасного светодиода требуется большой лед-кристалл. В связи с этим возникает несколько технологических проблем:

1. С увеличением площади лэд-кристалла существенно возрастает его стоимость.
2. При работе на полную мощность такого led-элемента выделяется настолько много энергии, что возникает сильный перегрев его основания и, как следствие, последующее быстрое разрушение.

Если же объединить несколько близко установленных лед-кристаллов, возникает значительная потеря мощности из-за повышения нерабочей боковой площади. Ввиду выше рассмотренных обстоятельств, разработчики предложили несколько компромиссных вариантов:

1. На данный момент допустимо изготавливать кристаллы размером до 1 мм 2 . До этого порогового значения можно существенно повысить силу тока, а значит, и мощность – в результате снижения сопротивления в лэд-материале из-за его нагрева.
2. Внедряются все более совершенные рефлекторы, собирающие боковое излучение к центру.
3. Производятся линзы с высоким коэффициентом преломления, что заставляет лучше собирать и направлять в пучок боковые волны.

Типовые модели и основные производители

1. Бастион SL-220VAC-10W-MS исп.5. Недорогая модель отечественного производителя. Работает от сети 220 В, мощность потребления 10 Вт, световой поток 700 лм.

2. Beward LIR6. Мощный ИК-излучатель от российского завода, работающего с 2004 года. Дальность действия от 20 до 120 метров. Угол обзора от 15 до 75 градусов, соответственно. Мощность потребления 10 Вт, питается от сети 12 вольт. Автовключение при освещенности менее трех люкс.
3. Brickcom IR040. Уличный ИК-излучатель на расстояние до 40 метров. Модель известного производителя из Тайваня, работающего с 2009 года. В приборе четыре светодиода, излучающих на частоте 850 нм с углом в сорок пять градусов.
4. Germikom XR-30 (25W). Уличный прожектор с длиной волны 880 нм и дальностью действия до 210 метров и углом 30 градусов. Дорогая и очень мощная модель ИК-излучателя от отечественного производителя. Работает от 12 В, потребляет 25 Вт.
5. Axis T90D35 W-LED. Очень дорогая модель уличного ИК-излучателя от шведского производителя, известного с 1984 года. Комплект заменяемых линз позволяет настраивать угол обзора от 10 до 80 градусов. Пучок освещения достигает до 180 метров.
6. Altcam IR-80. Средне-ценовой ИК-излучатель отечественного производства для установки на улице. Дальнобойность – 80 метров. Содержит 114 светодиодов. Предназначен для скрытой подсветки в ночное время.

Преимущества использования ИК прожекторов

Кроме уже упомянутой возможности расширения площади ночной съемки, отдельно стоящие ИК прожектора позволяют:

1. незначительно увеличить потребление существующей системы или оптимизировать показатели разрабатываемой;
2. снизить общие расходы на оборудование;
3. минимизировать вмешательство в существующие сети подвода энергии;
4. обеспечить качественную и равномерную засветку большой площади;
5. улучшить детализацию наблюдаемых объектов на большом расстоянии;
6. увеличить максимальную дальность детектирования движения.

Среднестатистический индивидуум, желающий получить дешевое и надежное решение для ночного видеонаблюдения — может легко воспользоваться парой из самодельного ИК прожектора и недорогой камеры черно-белой съемки.

Что такое светодиод и история его изобретения

Принцип действия светодиодаСветодиод — это полупроводниковый прибор, излучающий фотоны определенной частоты при пропускании через него электрического тока.

Часто термин «светодиод» заменяется англоязычной аббревиатурой LED от «led emitting diod» — светоизлучающий диод. Русскоязычный аналог данного словосочетания — СИД — используется значительно реже.

Эффект испускания фотонов достигается благодаря наличию в этих приборах электронно-дырочного перехода, рекомбинация электронов и дырок в котором сопровождается переходом электронов с одного энергетического уровня на другой, в результате чего избыток энергии высвобождается в виде свободного фотонного излучения.

Олег Лосев, советский ученый, изобретатель, один из праотцов светодиода

Впервые подобное явление было обнаружено в далеком 1907 году английским исследователем Генри Раундом. Позднее независимо от него советский ученый Олег Лосев в 1923 году также зафиксировал электролюминесценцию в точке контакта карбида кремния и стали под воздействием электрического тока и даже смог запатентовать своё изобретение под названием «Световое реле» в 1927 году. Но, как часто бывает, открытие не было должным образом оценено современниками и до победного шествия светодиодов оставались долгие десятилетия.

Технология создания инфракрасных светодиодов была освоена в США лишь в 1961 году, а первый реально применимый светодиод в видимом диапазоне спектра (красный) был создан в 1962 году Ником Холоньяком. Позднейшие исследования привели к созданию в 1971 году синего светодиода, а в 1972 году был создан первый жёлтый светодиод и были разработаны способы десятикратного увеличения яркости красных светодиодов.

Тем не менее, несмотря на очевидный прогресс в развитии светодиодной техники, светодиоды оставались чрезмерно дорогими вплоть до конца 60-х годов ХХ века. Их широкое промышленное производство и применение начинается лишь в 70-х годах ХХ века, а производство дешевых синих светодиодов началось лишь после 1990 года, когда японским ученым, получившим позднее за это Нобелевскую премию, удалось критически усовершенствовать технологию их создания.

Световая эффективность излучения

Эффективность свечения измеряется как отношение световой мощности (Лм) к электрической мощности источника (Вт). Соотношение Лм/Вт – это показатель экономичности источника освещения. При равном потреблении электрической энергии светодиодные лампы излучают более мощный световой поток по сравнению с лампами накаливания. Эффективность излучения светодиодов гораздо выше по сравнению с обычными лампочками. Например, яркость светодиода мощностью 8 Вт примерно равна яркости лампы накаливания мощностью 40 Вт. Таким образом, LED-светильники позволяют экономить электроэнергию без ущерба для яркости освещения.

Для чего использовать ИК-подсветку?

• низкое энергопотребление (по сравнению с подсветкой видимого спектра);
• малозаметное для стороннего наблюдателя;
• снижение битрейта монохромного полутонового видео по сравнению с цветным (более низкие требования к пропускной способности каналов передачи и емкости хранения);
• отсутствие помех водителям при видеонаблюдении за транспортными потоками ночью
• лучшее распознавания номерных знаков автомобилей (LPR) в тёмное время суток (за счет того, что номерные знаки гораздо лучше отражают инфракрасный свет);
• простота использования;
• экологические мотивы (снижение светового загрязнения).

Мнение практиков

Высококвалифицированные инженеры связывают эти результаты с определенной проблемой. Потому как достижение высокой мощности сопровождается перегревом. Малейший сбой в работе системы ведет к потере эффективности прибора и даже выходу из строя кристалла.

Применяя импульсную систему, нужно придерживаться постоянного напряжения. Малейшее отклонение от нормы приведет к некачественному излучению. К таким системам нужно относиться очень трепетно и обслуживать регулярно.

Сфера применения светодиодов будет постоянно расширяться, так как спрос на такие приборы растет с каждым днем, а характеристики со временем улучшаются. Основную нишу по продаже этой продукции на рынке заняли китайцы. Их инфракрасные светодиоды не всегда качественные. Остается надеяться, что рыночная конкуренция со временем заставит продукцию подешеветь, а качество ее будет только расти.

https://youtube.com/watch?v=98BEXvYukKM

Устройство и особенности ИК-светодиодов

Теоретически мы разобрались, чем отличаются инфракрасные светодиоды от обычных светоизлучающих. Но как это достигается на практике? Разберемся в принципе работы и тех, и других.

Некогерентные светодиоды

Конструктивно прибор представляет собой «слоеный пирог», состоящий из двух типов полупроводников: n и p. При прохождении тока через этот pn-переход отрицательный заряд электронов (n) соединяется с ионами положительно заряженных дырок (p). В этот момент выделяется энергия, и мы видим излучение света.

Но, как мы знаем, светодиоды могут светиться разным цветом, т. е. излучать волны разной длины – от ультрафиолета до инфракрасного спектра. Почему? На спектр излучения кристалла влияет тип материала, из которого он изготовлен. К примеру, светодиоды на основе нитрида алюминия работают в ультрафиолетовом спектре, фосфид галлия даст красный цвет, а приборы на основе арсенида галлия излучают в инфракрасном спектре.

Осталось разобраться, почему они называются некогерентными. Любой светодиод излучает волну не строго определенной частоты, а захватывает небольшой участок спектра. Участок этот не особенно велик и лежит в одном цветовом диапазоне, но он есть.

То есть если полупроводник светится, скажем, синим, то этот цвет не чисто синий с определенной, строго заданной длиной волны, а просто спектр излучения прибора лежит в синем диапазоне. К примеру, устройства на основе селенида цинка излучают волны длиной от 450 до 500 нм, но мы все равно видим синий цвет. Это хорошо видно по нижеприведенной таблице спектров.

То же касается светодиодов и другого цвета свечения, включая инфракрасные. Для того чтобы получить излучение строго заданной частоты, используется совершенно иной принцип, а сами приборы, которые так работают, получили название полупроводниковых лазеров.

Лазеры – когерентные светодиоды

Полупроводниковый лазер представляет собой все тот же «слоеный пирог», только размеры этого «пирога» имеет строго заданные параметры, совпадающие с длиной волны определенного спектра или кратные ей. При этом торцы кристалла отполированы до зеркального блеска, а нижняя и верхняя его части непрозрачны.

При подаче на кристалл напряжения происходит то же, что и в обычном светодиоде: он начинает излучать спектр волн, лежащих в некотором диапазоне. Излучение же, направленное внутрь, начинает отражаться от полированных стенок кристалла. Причем длина волны, на которую настроен кристалл, будет отражаться многократно, остальные частоты начнут затухать, накладываясь друг на друга в разных фазах.

Проходя вдоль кристалла, являющегося, по сути, резонатором, излучение определенной длины будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Эта фаза называется процессом накачки лазера. Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

А в чем же отличие от обычного диода?

Оказывается, световой диод все же отличается от обычного (сигнального) диода. Основное отличие, конечно же, заключается именно в конструкции. Так, у светодиода есть специальная полусферическая защита, которая хранит его от ударов и других механических воздействий извне. Также очень любопытен тот факт, что светодиодный переход самостоятельно излучает довольно мало фотонов. Именно по этой причине корпус светодиода специально делают из эпоксидной смолы, которая позволяет направить фотоны, идущие в другие стороны строго вверх.

Встречаются иногда и очень необычные формы светодиодов. Среди них и прямоугольная, и цилиндрическая и даже форма в виде стрелки. Все зависит от того, куда нужно концентрировать свет, а это зависит от цели, для которой этот светодиод создается.

Области ИК-диапазона

ИК-диапазон часто разделяется на более узкие участки спектра. Немецкий институт стандартов DIN определил такие области длин волн инфракрасных лучей:

• ближний (0,75-1,4 мкм), обычно используемый в волоконно-оптической связи;
• коротковолновой (1,4-3 мкм), начиная с которого значительно возрастает поглощение ИК-излучения водой;
• средневолновой, также называемый промежуточным (3-8 мкм);
• длинноволновый (8-15 мкм);
• дальний (15-1000 мкм).

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия – в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Четкая граница между инфракрасным и видимым светом не определена. Глаз человека значительно менее чувствителен к красному свету, превышающему длину волны 700 нм, однако интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало ИК-диапазона определяется в разных стандартах по-разному – где-то между этими значениями. Обычно это 750 нм. Поэтому видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750–780 нм.

Технические характеристики и виды

Как любой полупроводниковый диод, IR LED характеризуется электрическими параметрами:

• рабочий ток (обычно, в миллиамперах) – ток, при котором светодиод имеет номинальные характеристики излучения;
• максимальный рабочий ток – при котором прибор сохраняет работоспособность;
• наибольшее обратное напряжение (обычно, несколько вольт иногда 1..2 вольта) – максимальное напряжение, которое без повреждения выдерживает LED при обратном приложении;
• падение напряжения в прямом направлении (обычное значение – от 1,2 до 3 вольт, для сборок – больше).

Помимо этого, у ИК светодиодов имеются характеристики параметров излучения:

• длина излучаемой волны (обычно в нанометрах);
• телесный угол излучения – угол раскрыва конуса, в котором излучает LED.

В некоторых случаях важно знать время нарастания сигнала и время спада. Эти данные можно найти в даташитах на ИК-элементы

Длина волны ИК-диодов больше, чем длина волны обычного прибора (а частота – ниже).

Как подключить

Подключение инфракрасного светодиода ничем не отличается от подключения обычного светоизлучающего. И тот, и другой включаются в цепь постоянного тока через ограничивающий резистор, обеспечивающий номинальный рабочий ток прибора. Ну и не стоит забывать, что инфракрасный светодиод – прибор полярный, поэтому на его анод нужно обязательно подавать «плюс», а на катод – «минус». При этом место включения резистора в цепь роли не играет.

Для того чтобы рассчитать номинал токоограничивающего резистора, необходимо знать:

• падение напряжения на светодиоде при прямом включении (есть в паспорте);
• номинальный рабочий ток светодиода (есть в паспорте);
• величину питающего напряжения.

Сам же расчет исключительно прост. Из напряжения питания вычитаем напряжение падения на полупроводнике и находим напряжение падения на резисторе:

U = Uпит. – Uпадения на светодиоде

Теперь рассчитываем номинал резистора, который обеспечит нужный нам ток через цепь, воспользовавшись законом Ома:

R = U/ I

где:

• R – искомое сопротивление резистора в Омах;
• U – падение напряжения на резисторе (см. первую формулу) в вольтах;
• I – номинальный ток через светодиод в амперах.

Если светодиод относительно мощный, то вместо резистора используется драйвер – электронный стабилизатор тока. Понадобится драйвер и в том случае, если питающее напряжение нестабильно.

Важно! Драйвер должен обеспечивать точно такой же или меньший ток, на который рассчитан конкретный светодиод

В нижней части рисунка указано соответствие номинала резистора необходимому току.

Мощные инфpaкрасные светодиоды

Для изготовления мощного инфpaкрасного светодиода требуется большой лед-кристалл. В связи с этим возникает несколько технологических проблем:

1. С увеличением площади лэд-кристалла существенно возрастает его стоимость.
2. При работе на полную мощность такого led-элемента выделяется настолько много энергии, что возникает сильный перегрев его основания и, как следствие, последующее быстрое разрушение.

Если же объединить несколько близко установленных лед-кристаллов, возникает значительная потеря мощности из-за повышения нерабочей боковой площади. Ввиду выше рассмотренных обстоятельств, разработчики предложили несколько компромиссных вариантов:

1. На данный момент допустимо изготавливать кристаллы размером до 1 мм 2 . До этого порогового значения можно существенно повысить силу тока, а значит, и мощность – в результате снижения сопротивления в лэд-материале из-за его нагрева.
2. Внедряются все более совершенные рефлекторы, собирающие боковое излучение к центру.
3. Производятся линзы с высоким коэффициентом преломления, что заставляет лучше собирать и направлять в пучок боковые волны.

Индикаторные и осветительные LED

Чтобы яснее представлять, какие бывают светодиоды, их можно разделить на две большие группы: индикаторные и осветительные.

Индикаторные используются в основном в целях цветовой индикации, а также при подсветке дисплеев, приборных панелей и других приборов. То есть это светодиоды сравнительно небольшой мощности (до 0.2 Вт) с умеренной яркостью.

Осветительные LED используются при освещении помещений в составе светодиодных ламп и лент, в автомобильных фарах и везде, где требуется получить высокую интенсивность свечения. Мощность таких светодиодов может достигать десятков ватт.