红外发射管基础知识.ppt

1 一 红外发射管基础知识 二 应用中的问题及原因分析 内容 2 红外发射管基础知识 光是一种电磁波 它的波长区间从几个纳米 1nm 10 9m 到1毫米 mm 左右 人眼可见的只是其中一部分 我们称其为可见光 可见光的波长范围为380nm 780nm 可见光波长由长到短分为红 橙 黄 绿 青 兰 紫光 波长比紫光短的称为紫外光 波长比红光长的称为红外光 红外发射二级管由红外辐射效率高的材料 常用砷铝化镓GaAlAs 制成PN结 外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光 光谱功率分布为中心波长830 950nm 半峰带宽约40nm左右 它是窄带分布 为普通CCD黑白摄像机可感受的范围 严格地讲 术语LED应该仅应用于发射可见光的二极管 发射近红外辐射的二极管叫红外发光二极管 IRED InfraredEmittingDiode 发射峰值波长在可见光短波限附近 由部份紫外辐射的二极管称为紫外发光二极管 但是习惯上把上述三种半导体二极管统称为发光二极管 3 基本原理LED晶片的元素為III V族化合半導體 周期表 4 材料的排列模式 Si 原子內各層的穩定電子數 2 8 8 個 矽的外層電子數為4個電子 5 N type的排列模式 Si As 在Si的排列中放入As 則將多出一個電子 在結構上是為帶負電 Negative 故定義為N type 6 P type的排列模式 Si B 在Si的排列中放入B 在結構上將少一個電子 可視為帶正電 Positive 的空域 稱為電洞 hole 定義為P type 7 LED的符號 P層與N層之接合狀況 8 LED之通電狀況 P極接正電 N極接負電 則LED發光 反之 則不發光 9 红外LED的分类 按外尺寸分类 3 5 8 10 食人鱼 大功率等 按角度分类 9度 15度 30度 45度 60度 80度等 按功率分类 小功率 大功率 10 红外LED的五大物料與五大製程 LED示意图 11 晶片 晶片是LED的核心部分 也就是发光的光源 红外发射管也是一样 亮度及电性的好坏主要取决于晶片 发射管晶片的材质是砷化镓 GaAs 或者砷铝化镓 GaAlAs 所组成 发射管晶片的分类 目前发射管晶片分类主要按波长及晶片尺寸大小来区分 一 按波长分 830nm 850nm 880nm 940nm等 二 按晶片尺寸分 10mil 12mil 14mil 16mil 20mil 24mil 40mil等 提示 mil是尺寸单位 千分之一英寸 1mil 0 0254mm 12 支架 支架的材质一般为铁材 表面镀银 有时为了提高支架的散热性 也采用铜材 支架一般分为碗杯型 平头型和特殊型 碗杯型利用凹镜原理 主要用于聚光型LED 角度小 且碗杯的大小 深浅都会影响发光角度 13 银胶 SilverEpoxy 我们通过加热银胶使之固化 达到把晶片粘固在支架上的目的 便于焊线作业 且银胶还起到导电的作用 银胶的主要成份是 银粉 环氧树脂 固化剂 稀释剂 要低温储存 高温固化 150 2H 银胶 金线 金线 GoldWire 金线是用99 99 的工业用金拉丝而成的 其直径为0 9 1 2mil 1mil 0 0254mm 其主要作用是连接晶片与支架 且起导电作用 14 环氧树脂 Epoxy LED封装用的胶体是一种环氧树脂胶 它是一种双组分胶 主剂是A胶 是环氧树脂 固化剂是B胶 是酸酐类物质 它的透光性 流动性良好 封装胶体的颜色是通过加入色胶 色素 来改变的 色胶主要是由环氧树脂和各种热安定性的染料调配而成的 扩散剂是由料度分布极为均匀之高光扩散性填充料 SiO2 和环氧树脂所组成 它的功能是使晶片发出的光在树脂内均匀的扩散 使LED发出柔和一致的光度 同时会降低LED的亮度 环氧树脂 模条 Mould 其实就使用环氧树脂成型的模具 也就是说LED的外观尺寸就取决于模条的尺寸 模条 15 发射管的主要参数 极限参数的意义 1 允许功耗Pm 指允许加于LED两端正向电压与流过它的电流之积的最大值 超过此值会造成LED发热以及损坏 2 最大瞬间电流IFP 允许加到LED上的最大瞬间电流 只允许脉冲电流使用 且不能长时间点亮 3 最大正向电流IFM 允许加到LED上的最大正向电流 使用时超过此值会损坏LED 目前我司对不同尺寸晶片此电流定为 12mil的50mA 14mil的60mA 16mil的80mA 20mil的120mA 40mil的450mA 4 最大反向电压VRm 允许加到LED上的最大反向电压 使用时超过此值可能会击穿LED 5 工作温度topm 指LED可正常工作的环境温度范围 25 70 低于或高于此此温度范围 LED将不能正常工作 效率会大大降低 16 光电特性参数 1 光谙分布和峰值波长 某一个LED所发的光并非是单一波长的 如发射管850nm的波长如图所示 pPeakWavelength峰值波長主要是量測設備針對每一波長量測光強度後所得的最高強度的波長 dDominantWavelength主要是量測設備針對每一波長量測光強度 視感度係數後所得的最高強度的波長 半頻寬值為最高強度50 時的寬度 17 电流与波长的关系 在不同电流的情况下 发射管的波长是会不一样的 一般是电流越大波长也越高 18 红外发光二极管的发射功率用辐照度 W m2表示 一般来说 其红外辐射功率与正向工作电流成正比 但在接近正向电流的最大额定值时 器件的温度因电流的热耗而上升 使光发射功率下降 红外二极管电流过小 将影响其辐射功率的发挥 但工作电流过大将影响其寿命 甚至使红外二极管烧毁 2 发射功率及与电流的关系 19 3 发射角度 1 2 在发光 或辐射 强度分布图形中 发光 或辐射 强度大于最大强度一半构成的角度 晶片相同的兩顆发射管 2 1 2愈大則Iv愈小 支架插入胶体越深表示角度就越大 影响发射管角度的还有支架碗杯大小深浅 模条的R角大小及晶片的大小高低等 20 4 V I特性 在正向电压小于某一值 叫阈值 时 电流极小 不发光 只有当电压超过某一值后 正向电流随电压迅速增加而发光 因为二极管的特性 反向是截止的 所以使用时极性插反是不会发光的 当电压越过正向阈值电压 不同的晶片此值是不一样的 电流开始流动 而且是一很陡直的曲线 表明其工作电流对工作电压十分敏感 因此要求工作电压准确 稳定 否则影响辐射功率的发挥及其可靠性 辐射功率随环境温度的升高 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 会使其辐射功率下降 红外灯特别是远距离红外灯 热耗是设计和选择时应注意的问题 21 5 环境温度对发射管的影响 电压与温度的关系 在温度升高的情况下 发射管的电压VF相对的会有所下降 22 发射功率与温度的关系 在温度上升的情况 发射功率同样也会有所下降的 23 发射管的串联电路 即把发射管的正极连接负极几颗串接起来的电路 一般在使用时加限流电阻 U U1 U2 U3 U4 U5 U6 I RI U U1 U2 U3 U4 U5 U6 R 例如 客户使用电源电压为DC12V 发射管的电压VF 1 5V IF 50mA 并且6颗相同电压发射管串联使用 若客户使用电流也是50mA 问限流电阻用多大 R U U1 U2 U3 U4 U5 U6 I 12 1 5 6 0 05 60 对此 只能是大概的算一下 客户实际使用时电流是会有一定误差的 因为发射管本身的电压会有一个范围的 6 红外发射管的串并联使用 24 发射管的并联电路 即把发射管的正极连接到一起负极连接到一起 且几颗并排连接起来的电路 一般在使用时加限流电阻 I I1 I2 I3 I4I1 U 发射管的电压 RI2 I3 I4与I1同样计算 并联电路的电压是相同的 总电流是各支流的电流总和 而串联电路是电流相同 总电压是各元件电压的总和 25 发射管的串并联混和电路 正常发射管在应用时就是用的既有串联又有并联的电路 I总 I1 I2 I3 I4 I1 U 控制电路损耗电压 此组发射管电压总和 R1 I2 I3 I4与I1同样计算 26 与客户交往中所碰到的问题 1 夜视效果不好或照射距离不够 造成此现象的原因很多 如 A 红外灯对摄像机 镜头 防护罩和供电系统配套性 B 发射管的角度大小 角度大就功率小 相对距离就要短 角度小功率会大 若与镜头配套不好又会形成明显的手电筒现象 即只看到中间亮边上没有亮度 C 使用电流的大小 电流越大相对来说功率会越高也会照得越远 但电流太大会损坏发射管的 对此看客户使用什么样的电流再决定送什么的产品给客户 晶片尺寸越大相对来说电流也可以用得越大 功率也会越高 对此若是同样电流的话 晶片大不一定功率会更大的 也就是说用越大的晶片一定要用更大电流才可以发挥其功效 D 发射管本身功率确实比别人的低 27 2 客户使用时反映电流偏大或偏小 若是电流偏大的话 是发射管本身的电压偏低 对此只是相对 比如说客户设计时是按1 5电压设计的电流是50mA 若发射管的电压是1 4的时候 电流肯定就要越过50mA 若是电流太小 则反之 针对此问题可以作以下的计算 以便各位能够更好的理解 如图电路 如果发射管的VF 1 5 按前面所算限流电阻为60 为了方便计算我们把发射管也转换成电阻来计算 如果发射管的VF 1 5V IF 50mA 0 05A 其电阻R U I 1 5 0 05 30 其电流计算如下 I U R总 12 60 30 6 0 05 A 50mA如果发射管的VF 1 4V IF 50mA 0 05A 由于限流电阻是按VF 1 5V计算的 即要把此电压转换成1 5V 根据发射管的伏安特性曲线 此发射管在VF 1 5V时其IF会在80mA左右 其电阻R U I 1 5 0 08 18 75 其电流计算如下 I U R总 12 60 18 75 6 0 07 A 70mA因为发射管本身的伏安曲线比较陡直 即电压稍变化电流变化就很大 对此客户能够使用定电流话 就没有什么问题 一般都是定电压使用的 对此可以通过改变限流电阻的方式来调整电流的大小 对此一定要与客户沟通 我司发射管的电压会存在一定范围的 请其在使用时要注意电压的等级 不要混和使用 28 3 发射管烧坏或电压上升 此现象一般是电流过大所损坏 造成电流过大的原因有 A 客户本身设计时电流就已经过大 对此在送样时一定要提醒客户的使用电流范围 B 发射管本身的电压偏低 对此只是相对 比如说客户设计时是按1 5 1 6V电压设计的电流是50mA 若发射管的电压是1 4 1 5V的时候