Fiche technique de la LED infrarouge haute puissance HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR - 5.0x5.0x1.9mm - 850nm - 3.1V - 3W - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR est une diode électroluminescente infrarouge haute puissance conçue pour des applications d'éclairage exigeantes. Elle est dotée d'un boîtier CMS miniature avec un encapsulant en silicone transparent et une lentille supérieure sphérique, optimisant l'extraction de la lumière et le diagramme de rayonnement. Sa sortie spectrale est centrée sur 850nm, ce qui la rend idéalement adaptée aux photodiodes et phototransistors au silicium pour les systèmes de détection et d'imagerie. Ses principaux avantages incluent une puissance rayonnante élevée dans un facteur de forme compact, d'excellentes caractéristiques de gestion thermique, et la conformité aux normes environnementales et de sécurité modernes telles que RoHS, REACH et les exigences sans halogène.

1.1 Applications cibles

Cette LED infrarouge est principalement destinée aux applications nécessitant un éclairage robuste et invisible. Ses principaux domaines d'application incluent les systèmes de surveillance et de sécurité, où elle est utilisée pour fournir un éclairage nocturne aux caméras CCD. Elle convient également à divers systèmes basés sur l'infrarouge tels que les capteurs de proximité, les modules de reconnaissance gestuelle et la vision industrielle. La puissance rayonnante élevée permet un éclairage à plus longue portée ou une couverture de zones plus larges par rapport aux LED infrarouges standard.

2. Spécifications techniques et interprétation objective

Les performances du dispositif sont définies dans des conditions de test standard (T_A=25°C). Une analyse objective détaillée de ses paramètres clés est fournie ci-dessous.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Elles ne sont pas destinées au fonctionnement normal.

• Courant direct continu (I_F): 1500 mA. C'est le courant continu maximum qui peut être appliqué indéfiniment sans dépasser la limite de température de jonction.
• Courant direct de crête (I_FP): 5000 mA. Ce courant élevé n'est autorisé qu'en conditions pulsées (largeur d'impulsion ≤100μs, rapport cyclique ≤1%), utile pour un éclairage de haute intensité par salves courtes.
• Tension inverse (V_R): 5 V. Dépasser cette tension en polarisation inverse peut provoquer un claquage de la jonction.
• Température de jonction (T_j): 115 °C. La température maximale admissible au niveau de la jonction semi-conductrice.
• Dissipation de puissance (P_d): 3 W à I_F=700mA. Cela indique la capacité du dispositif à gérer la génération de chaleur à un point de fonctionnement spécifique.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres définissent la sortie lumineuse et le comportement électrique dans des conditions de fonctionnement typiques.

• Puissance rayonnante totale (P_o): La puissance optique émise dans toutes les directions. À un courant de commande de 1A, la valeur typique varie de 900mW à 1100mW, indiquant une efficacité élevée.
• Intensité rayonnante (I_E): La puissance optique par angle solide, mesurée en mW/sr. À 1A, elle est typiquement comprise entre 230 et 270 mW/sr. Cette métrique est pertinente pour les applications à faisceau dirigé.
• Longueur d'onde de crête (λ_P): 850 nm. C'est la longueur d'onde à laquelle la sortie spectrale est la plus forte, parfaitement alignée avec la sensibilité maximale des détecteurs au silicium.
• Largeur de bande spectrale (Δλ): 25 nm. Cela définit la plage de longueurs d'onde émises, typiquement la largeur à mi-hauteur (FWHM).
• Tension directe (V_F): Typiquement 3,10V à 1A. C'est la chute de tension aux bornes de la LED en fonctionnement, cruciale pour la conception du pilote et les calculs de dissipation de puissance.
• Angle de vision (2θ_1/2): 150 degrés. Cet angle de vision très large fournit un éclairage diffus et étendu plutôt qu'un spot étroit, idéal pour la couverture de zone.

2.3 Caractéristiques thermiques

Une gestion thermique efficace est critique pour les LED haute puissance afin de maintenir les performances et la longévité.

• Résistance thermique (R_th(j-L)): 18 K/W (jonction au plot de sortie). Cette faible valeur indique un bon transfert de chaleur interne de la puce aux plots du boîtier, mais un dissipateur thermique externe est fortement recommandé pour un fonctionnement à courants élevés.

3. Explication du système de classement (Binning)

Le dispositif est trié (classé) en fonction de sa puissance rayonnante de sortie à un courant de test standard de 1000mA. Cela garantit une cohérence dans les performances de l'application.

• Classe F: Puissance rayonnante de 640 mW à 1000 mW.
• Classe G: Puissance rayonnante de 800 mW à 1260 mW.
• Classe H: Puissance rayonnante de 1000 mW à 1600 mW.

Le code de classe permet aux concepteurs de sélectionner des LED avec une puissance de sortie minimale garantie pour leurs besoins d'application spécifiques. Toutes les mesures incluent une tolérance de test de ±10%.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques essentielles pour comprendre le comportement du dispositif dans des conditions variables.

4.1 Courant direct vs. Tension directe (Courbe IV)

Cette courbe montre la relation non linéaire entre le courant et la tension. Elle est essentielle pour concevoir le circuit de limitation de courant. La courbe montre une tension de seuil (environ 1,2V pour le GaAlAs) après laquelle le courant augmente rapidement avec une faible augmentation de tension.

4.2 Courant direct vs. Intensité/Puissance rayonnante

Ces courbes démontrent la dépendance de la sortie lumineuse au courant de commande. Typiquement, la sortie augmente de manière super-linéaire aux courants plus faibles puis tend à saturer aux courants plus élevés en raison des effets thermiques et de la baisse d'efficacité. Les courbes fournies pour ce dispositif à 350mA, 700mA et 1A illustrent cette tendance.

4.3 Intensité rayonnante relative vs. Déplacement angulaire

Ce diagramme polaire visualise l'angle de vision de 150 degrés. Il montre le diagramme de rayonnement, qui est presque lambertien (distribution cosinus) en raison de la lentille sphérique, fournissant un éclairage uniforme sur une large zone.

4.4 Courant direct vs. Température ambiante

Ce graphique est critique pour la déclassement thermique. Il montre comment le courant direct maximal admissible doit être réduit à mesure que la température ambiante augmente pour empêcher la température de jonction de dépasser sa limite de 115°C. Cette courbe informe directement la conception thermique et les exigences du dissipateur.

5. Informations mécaniques et sur le boîtier

5.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif est logé dans un boîtier CMS compact de 5,0mm x 5,0mm avec une hauteur de 1,9mm. La lentille est un dôme sphérique proéminent. Les tolérances dimensionnelles critiques sont de ±0,1mm sauf indication contraire. Un avertissement spécifique est donné de ne pas manipuler le dispositif par la lentille, car une contrainte mécanique peut provoquer une défaillance.

5.2 Configuration des plots et identification de la polarité

Le boîtier comporte trois plots : Plot 1 (Anode), Plot 2 (Cathode) et un grand plot thermique central (P). Le plot thermique est crucial pour transférer la chaleur de la puce LED vers la carte de circuit imprimé (PCB). Le schéma de disposition des plots montre clairement les positions de l'anode et de la cathode pour une connexion électrique correcte.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

6.1 Profil de soudure par refusion

Le dispositif convient aux processus de refusion CMS standard sans plomb. Le profil recommandé est le suivant :

• Vitesse de montée: 2–3 °C/sec
• Préchauffage: 150–200 °C pendant 60–120 secondes
• Temps au-dessus du liquidus (T_L=217°C): 60–90 secondes
• Température de crête (T_P): 240 ±5 °C
• Temps à ±5°C de la crête: Maximum 20 secondes
• Vitesse de descente: 3–5 °C/sec

6.2 Notes critiques d'assemblage

• La soudure par refusion ne doit pas être effectuée plus de deux fois pour éviter une contrainte thermique excessive sur le boîtier et les fils de connexion.
• Les contraintes mécaniques sur la LED pendant le chauffage (par exemple, dues à la flexion de la carte) doivent être évitées.
• Le PCB ne doit pas être plié après soudure, car cela peut fissurer les joints de soudure ou le boîtier de la LED lui-même.
• Une dissipation thermique adéquate, comme suggéré dans les notes, est obligatoire pour un fonctionnement fiable à courants élevés.

7. Informations sur l'emballage et la commande

7.1 Spécifications de la bande et de la bobine

Les dispositifs sont fournis sur bande porteuse et bobine pour l'assemblage automatisé. Chaque bobine contient 400 pièces. Les dimensions détaillées de la bande porteuse et de la bobine sont fournies pour assurer la compatibilité avec les équipements de placement.

7.2 Emballage sensible à l'humidité

Le produit est emballé dans un sac aluminium résistant à l'humidité avec un dessiccant pour le protéger de l'humidité ambiante pendant le stockage et le transport, ce qui est une pratique standard pour les composants CMS.

8. Recommandations d'application et considérations de conception

8.1 Conception du circuit de pilotage

En raison du courant direct élevé (jusqu'à 1,5A continu), un pilote à courant constant est essentiel. Le pilote doit être capable de fournir le courant requis tout en supportant la chute de tension directe (environ 3,1V à 1A). Les régulateurs à découpage sont souvent préférés aux régulateurs linéaires pour l'efficacité à ces niveaux de puissance. La conception du pilote doit également intégrer une protection thermique ou un déclassement de courant basé sur la courbe de température ambiante.

8.2 Conception de la gestion thermique

C'est l'aspect le plus critique de l'utilisation de cette LED haute puissance. La faible résistance thermique jonction-plot (18K/W) n'est qu'une partie du système. Le chemin thermique total de la jonction à l'ambiant (R_th(j-A)) doit être minimisé. Cela implique :

• D'utiliser un PCB avec un réseau de vias thermiques sous le plot thermique connecté à de grandes surfaces de cuivre ou à une couche de masse interne.
• Éventuellement d'attacher un dissipateur thermique externe au PCB.
• D'assurer une bonne circulation d'air dans l'application finale.
• D'utiliser un matériau d'interface thermique si nécessaire.

La température de jonction maximale de 115°C ne doit jamais être dépassée. La courbe de déclassement (Courant direct vs. Température ambiante) fournit les données nécessaires pour calculer les performances requises du dissipateur.

8.3 Conception optique

L'angle de vision de 150 degrés offre une large couverture. Pour les applications nécessitant un faisceau plus focalisé, des optiques secondaires (lentilles ou réflecteurs) peuvent être utilisées. La longueur d'onde de 850nm est invisible à l'œil nu mais facilement détectable par les capteurs au silicium et la plupart des caméras CCD/CMOS, qui ont souvent un filtre coupant l'infrarouge qui doit être retiré ou remplacé par un filtre passant 850nm pour une utilisation efficace.

9. Comparaison et différenciation technique

Comparée aux LED infrarouges traversantes standard de 5mm ou 3mm, ce dispositif offre une puissance rayonnante significativement plus élevée (d'un ordre de grandeur ou plus) dans un boîtier CMS, permettant des conceptions plus compactes et robustes. Ses principaux points de différenciation sont sa combinaison de haute puissance (dissipation jusqu'à 3W), d'angle de vision large et du plot thermique intégré pour une dissipation de chaleur efficace—une fonctionnalité souvent absente des LED CMS de faible puissance. L'utilisation du matériau de puce GaAlAs est standard pour les émetteurs infrarouges à haute efficacité dans cette plage de longueur d'onde.

10. Questions fréquemment posées (Basées sur les paramètres techniques)

10.1 Quelle est la différence entre la Puissance rayonnante et l'Intensité rayonnante ?

La Puissance rayonnante (P_o, en mW) est la puissance optique totale émise dans toutes les directions. L'Intensité rayonnante (I_E, en mW/sr) est la puissance émise par unité d'angle solide dans une direction spécifique. Pour une LED grand angle comme celle-ci, la puissance totale est élevée, mais l'intensité dans une seule direction est inférieure à celle d'une LED à faisceau étroit de même puissance totale.

10.2 Puis-je piloter cette LED directement à partir d'une source de tension ?

Non. Les LED sont des dispositifs pilotés en courant. Leur tension directe a une tolérance et varie avec la température. Une connexion directe à une source de tension provoquera un courant non contrôlé, dépassant probablement la valeur maximale et détruisant la LED. Un pilote à courant constant ou un circuit limiteur de courant est obligatoire.

10.3 Pourquoi la dissipation thermique est-elle si fortement soulignée ?

Les LED haute puissance convertissent une part significative de l'entrée électrique en chaleur. Si cette chaleur n'est pas efficacement évacuée, la température de jonction augmente. Les températures de jonction élevées entraînent une réduction de la sortie lumineuse (baisse d'efficacité), une dégradation accélérée des matériaux semi-conducteurs et, finalement, une défaillance catastrophique. Une conception thermique appropriée garantit les performances, la fiabilité et la longévité.

10.4 Que signifie le code de classement (Bin Code) pour ma conception ?

Sélectionner une classe supérieure (par exemple, Classe H plutôt que Classe F) garantit une puissance rayonnante minimale plus élevée. Cela vous permet de concevoir votre système avec un niveau d'éclairage connu et garanti. Si votre conception a une marge suffisante, une classe inférieure peut être plus rentable. Si vous poussez les limites de la portée d'éclairage ou de la sensibilité de la caméra, une classe supérieure est nécessaire.

11. Étude de cas pratique de conception et d'utilisation

Scénario : Conception d'un projecteur IR pour une caméra de sécurité

Un concepteur doit créer un projecteur IR compact mural pour étendre la portée de vision nocturne d'une caméra de sécurité de 10 mètres à 25 mètres. Le capteur de la caméra est sensible au 850nm. Le concepteur sélectionne la LED HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR en Classe H pour une puissance de sortie maximale.

Étapes de conception :

1. Conception électrique: Un pilote à découpage à courant constant est conçu pour fournir 1000mA à la LED à partir d'une alimentation 12V DC. Le pilote inclut une protection contre les surintensités et un arrêt thermique.
2. Conception thermique: Un PCB 2 couches avec un poids de cuivre de 2oz est utilisé. Un réseau de vias thermiques connecte le plot thermique de la LED à une grande surface de cuivre au dos, qui agit comme dissipateur. Le boîtier est en aluminium, le PCB y étant monté directement avec de la pâte thermique pour dissiper davantage la chaleur.
3. Conception optique/mécanique: Quatre LED sont disposées en carré sur le PCB. Une fenêtre plate en polycarbonate transparent protège les LED. Le large faisceau de 150 degrés de chaque LED se superpose pour créer une lumière infrarouge uniforme couvrant le champ de vision de la caméra à la portée souhaitée.
4. Validation: Le prototype est testé dans une pièce sombre. Une caméra thermique confirme que les températures de jonction des LED restent inférieures à 100°C. La caméra de sécurité identifie avec succès des objets à 25 mètres avec un bon contraste.

Ce cas souligne l'interdépendance de la conception du pilote, de la gestion thermique et de la disposition optique lors de l'utilisation de ce composant haute puissance.

12. Principe de fonctionnement

La HIR-C19D-1N150/L649-P03/TR est une source lumineuse semi-conductrice basée sur une hétérostructure d'Arséniure de Gallium-Aluminium (GaAlAs). Lorsqu'une tension directe dépassant l'énergie de bande interdite de la diode est appliquée, des électrons et des trous sont injectés dans la région active où ils se recombinent. Ce processus de recombinaison libère de l'énergie sous forme de photons. La composition spécifique des couches de GaAlAs détermine l'énergie de bande interdite, qui à son tour définit la longueur d'onde de crête des photons émis—dans ce cas, 850 nanomètres, qui se situe dans le spectre du proche infrarouge. L'encapsulant en silicone transparent protège la puce semi-conductrice et agit comme un élément optique primaire, sa forme sphérique aidant à extraire la lumière efficacement et à façonner le diagramme de rayonnement.

13. Tendances technologiques

Le domaine des LED infrarouges haute puissance continue d'évoluer avec plusieurs tendances claires. Il y a une constante recherche d'une efficacité énergétique plus élevée (puissance optique sortie / puissance électrique entrée) pour réduire la génération de chaleur et la consommation d'énergie pour une même puissance lumineuse. Cela implique des avancées dans les techniques de croissance épitaxiale et la conception des puces. La technologie des boîtiers s'améliore également pour offrir une résistance thermique plus faible, permettant d'extraire plus de chaleur de la puce. De plus, l'intégration croissante, avec les pilotes et parfois même une logique de contrôle simple, est co-emballée avec la puce LED pour créer des modules d'éclairage plus intelligents et plus faciles à utiliser. La demande de sources infrarouges haute puissance fiables est soutenue par l'expansion des applications dans le LiDAR automobile, la reconnaissance faciale et l'automatisation industrielle avancée.