Что такое инфракрасный светодиод и как его проверить?

Инфракрасный светодиод нашел самое широкое применение практически во всех сферах нашей жизни. Этот прибор можно встретить в бытовой и медицинской технике, он участвует в сложных технологических процессах и служит военным. В этой статье мы поговорим о полупроводниках инфракрасного спектра – узнаем, что это за приборы, почему так называются, а заодно проверим их исправность подручными средствами.

Что такое ИК-излучение

Прежде чем поговорить об инфракрасных светодиодах, разберемся, что такое инфракрасное (ИК) излучение. Взглянем на упрощенную таблицу спектра электромагнитного излучения.

Начинается она с ультрафиолета, с понижением частоты переходит сначала в видимый свет – от фиолетового до красного, затем в инфракрасное излучение и заканчивается обычными радиоволнами, которые мы используем в радиосвязи. Участок, обозначенный как видимый спектр, так называется потому, что наш глаз его видит. Все остальные диапазоны, к которым относится и ИК-излучение, невидимы.

Чем же так примечателен инфракрасный диапазон? Во-первых, он полностью безвреден для людей и животных. И, во-вторых, он абсолютно не заметен для человеческого глаза, но заметен для электронных систем регистрации – от фотоприемников до обычных видеокамер. Именно поэтому ИК-светодиоды нашли такое широкое применение как в быту, так и на производстве.

Важно. Ультрафиолетовый спектр тоже не виден, но, в отличие от ИК-излучения, он оказывает существенное влияние на организм человека: из-за него можно легко испортить зрение и получить серьезные ожоги кожи.

Дополнительно инфракрасный диапазон делится на три поддиапазона:

1. Ближний – 0.74…2.5 мкм.
2. Средний – 2.5…50 мкм.
3. Дальний – 50…2 000 мкм.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Полезно! Излучение от 0.74 до 0.86 мкм еще заметно невооруженным глазом и воспринимается как слабое красноватое свечение. Это следует учитывать при выборе приборов для скрытой подсветки ночных видеокамер и подобных целей.

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.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Таким образом, светодиод инфракрасного спектра излучения отличается от светоизлучающего только материалом, из которого изготовлен полупроводник. Принцип же работы и у тех, и у других одинаков.

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.

Какими бывают

Как выглядит инфракрасный светодиод и можно ли его отличить от обычного? Вопрос довольно сложный, поскольку инфракрасные полупроводники имеют огромное количество форм-факторов – все зависит от их характеристик и назначения.

В компьютерных мышках и в пультах ДУ, к примеру, стоят обычные трехмиллиметровые приборы, в CD-приводах и лазерных принтерах – сверхминиатюрные в SMD или металлостеклянном корпусе. В ИК-прожекторах могут стоять как множество маломощных, так и несколько мощных инфракрасных светодиодов: обычных, диаметром до 10 мм или в SMD корпусе.

Цвет баллона тоже может быть различным – от прозрачного и металлического с прозрачным окном до матово-черного. Конечно, эти приборы можно отличить от светоизлучающих с красным и желтым баллонами – инфракрасные светодиоды не имеют таких цветов, но и только.

Что касается технических характеристик инфракрасных светодиодов, то основные из них следующие:

1. Угол рассеивания. Чем этот параметр выше, тем меньше освещенности приходится на определенную поверхность объекта, но тем большую площадь он покрывает ИК-излучением. Измеряется в градусах телесного угла – стерадианах (Ω).
2. Выходная мощность. Измеряется в ваттах (Вт) или милливаттах (мВт) и может колебаться от десятков милливатт до нескольких ватт.
3. Рабочий ток. Ток, при котором гарантируются заявленные характеристики, включая наработку на отказ и выходную мощность излучения. Измеряется в амперах (миллиамперах).
4. Прямое падение напряжения. Напряжение, которое падает на кристалле при номинальном токе. Зависит от материала кристалла и обычно не превышает 2 вольт.
5. Обратное максимально допустимое напряжение. Напряжение обратной полярности, которое выдерживает кристалл без электрического повреждения. Для инфракрасных приборов обычно не превышает 1 вольта.
6. Излучаемая длина волны. Если светодиод лазерный, то указывается одна длина волны, и это понятно. Если же это обычный инфракрасный светодиод, то нередко указывается диапазон излучаемых им волн, которые измеряются в нанометрах или микрометрах (нм или мкм).

Сфера применения

Сегодня ИК-светодиод можно встретить почти всюду.

В бытовой технике. Пульты для дистанционного  управления (ПДУ), лазерные принтеры, компьютерные «мыши», CD проигрыватели и т. д.

В системах охраны. Организация невидимого тревожного заграждения, невидимая подсветка объектов для камер ночного видеонаблюдения.

Организация светодиодного заграждения (направление невидимого ИК излучения показано условно)

В военной сфере. Невидимые невооруженным глазом лазерные ИК-прицелы, системы наведения управляемых ракет, дальномеры, прожекторы для приборов ночного видения.

В медицине. Пульсометры, тонометры, термометры, приборы для лечения и профилактики кожных и простудных заболеваний, сканеры, приборы лазерной хирургии и многое другое.

В промышленном оборудовании. Датчики движения и подсчета, дефектоскопы, дальномеры, ИК-уровни и отвесы, устройства передачи информации по оптическим линиям связи, источники для накачки мощных твердотельных лазеров.

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.

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.

Как проверить исправность ИК-диода

Осталось научиться проверять исправность ИК-светодиодов. Начнем с самой распространенной в быту поломки – выходу из строя ИК-диодов для пультов ДУ (ПДУ). Как проверить, исправен ли светодиод, не разбирая сам пульт? Ведь излучение таких приборов невидимо для человека. Да, невидимо, но его отлично видят видеокамеры.

Берем смартфон, ставим его в режим фотосъемки, подносим к камере мобильного устройства пульт ДУ, нажимаем на любую кнопку и смотрим на дисплей. Если с пультом все в порядке, то мы увидим, как светодиод начнет мигать.

Тот же результат можно получить и при помощи веб-камеры или любой другой видеокамеры с контрольным дисплеем.

Есть и еще один метод проверки инфракрасного светодиода – при помощи мультиметра (тестера). Он очень удобен, если светодиод никуда не впаян. Для этого понадобится любой мультиметр, имеющий режим проверки диодов.

Инфракрасный светодиод проверяют следующим образом. Переключают прибор в режим теста диодов (на фото выше обозначен стрелкой) и щупами касаются выводов светодиода сначала в одной полярности, затем в другой. Отметим, что в этом режиме измеряется падение напряжения.

Схема подключения инфракрасного диода к тестеру

В одной из полярностей падение напряжения на переходе излучателя будет намного меньше, а через камеру смартфона мы увидим, как диод засветился.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Если нет мультиметра, то не впаянный в плату светодиод можно зажечь при помощи батарейки-«монетки» (CR2025 или CR2035). Подключаем ИК-светодиод, соблюдая полярность (анод к «плюсу»), а его свечение контролируем при помощи камеры смартфона.

Можно ли проверить светодиод, не выпаивая его из платы? Можно. Берем мультиметр и проводим те же операции, что и в предыдущем случае. Благодаря токоограничивающему резистору внутренние элементы конструкции не будут влиять на качество проверки.

Вот и вся информация об инфракрасных светодиодах. Теперь мы знаем, что это за приборы, как работают и где используются.