Fiche technique de la diode électroluminescente infrarouge HSDL-4260 - Boîtier T-1 3/4 - Longueur d'onde 875nm - Courant direct 100mA - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

La HSDL-4260 est une diode électroluminescente (DEL) infrarouge haute performance conçue pour les applications nécessitant des temps de réponse rapides et une émission optique fiable. Elle utilise la technologie AlGaAs (Arséniure de Gallium-Aluminium), réputée pour son efficacité et sa stabilité dans le spectre infrarouge. La fonction principale de ce composant est d'émettre une lumière infrarouge à une longueur d'onde de crête de 875 nanomètres (nm), invisible à l'œil humain mais très efficace pour divers systèmes de détection et de communication.

Les principaux avantages de cette DEL incluent ses capacités haute vitesse, avec des temps de montée et de descente aussi bas que 40 nanosecondes (ns), lui permettant d'être utilisée dans la transmission de données et les applications à commutation rapide. Son boîtier compact T-1 3/4 la rend adaptée aux conceptions où l'espace est limité. Les marchés cibles de ce dispositif sont variés, englobant l'équipement industriel infrarouge, les instruments portables infrarouges, l'électronique grand public comme les souris optiques et les télécommandes, ainsi que les systèmes de communication infrarouge haute vitesse tels que les réseaux locaux IR, les modems et les clés USB.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques électriques

Les paramètres électriques définissent les limites de fonctionnement et les performances dans des conditions spécifiques, mesurées à une température ambiante de 25°C. La tension directe (VF) est un paramètre critique, typiquement comprise entre 1,4V et 1,9V pour un courant direct (IF) de 20mA, et entre 1,7V et 2,3V à 100mA. Cela indique la chute de tension aux bornes de la DEL lorsqu'elle conduit. La résistance série (RS) est spécifiée à 4 ohms (typique) à 100mA, ce qui influence la relation courant-tension et la dissipation de puissance. La capacité de la diode (CO) est de 70 picofarads (pF) maximum à 0V et 1 MHz, un facteur important pour les applications de commutation haute fréquence. La tension inverse (VR) maximale est de 4V, au-delà de laquelle la jonction de la DEL peut claquer.

2.2 Caractéristiques optiques

Les performances optiques sont centrales pour la fonction de la DEL. L'intensité rayonnante sur l'axe (IE) est comprise entre 150 et 200 milliwatts par stéradian (mW/Sr) à 100mA, quantifiant la puissance optique émise dans un angle solide spécifique le long de l'axe central. L'angle de vision (2θ1/2) est de 15 degrés, définissant l'étalement angulaire où l'intensité rayonnante chute à la moitié de sa valeur de crête. La longueur d'onde de crête (λpk) est de 875nm, avec une largeur spectrale (largeur à mi-hauteur, FWHM) de 45nm, décrivant la plage de longueurs d'onde émises. Le coefficient de température pour l'intensité rayonnante est de -0,36% par °C, indiquant une diminution de la puissance émise avec l'augmentation de la température.

2.3 Caractéristiques thermiques et valeurs maximales absolues

Ces valeurs spécifient les limites au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir. Le courant direct continu maximal absolu (IFDC) est de 100mA. Un courant direct de crête (IFPK) de 500mA est autorisé en conditions pulsées (cycle de service de 20%, largeur d'impulsion de 100µs). La dissipation de puissance maximale (PDISS) est de 230mW. La plage de température de stockage est de -40°C à 100°C. De manière cruciale, la température maximale de jonction de la DEL (TJ) est de 110°C. La résistance thermique jonction-ambiante (RθJA) est de 300°C/W, un paramètre clé pour calculer l'élévation de température de la jonction en fonction de la dissipation de puissance. La plage de température de fonctionnement recommandée est de -40°C à 85°C.

3. Analyse des courbes de performance

3.1 Caractéristique V-I (Tension-Courant)

La figure 2 de la fiche technique illustre la relation entre la tension directe (Vf) et le courant direct (If). Cette courbe est non linéaire, typique pour les diodes. À faible courant, la tension augmente progressivement. Lorsque le courant approche la plage de fonctionnement typique (par exemple, 20mA à 100mA), la courbe devient plus raide, reflétant la résistance série. Ce graphique est essentiel pour concevoir le circuit de limitation de courant afin de garantir que la DEL fonctionne dans sa plage de tension spécifiée.

3.2 Distribution spectrale

La figure 1 montre l'intensité rayonnante relative en fonction de la longueur d'onde. La courbe atteint son maximum à 875nm. La largeur spectrale (Δλ) de 45nm (FWHM) est visible comme la largeur de ce pic à la moitié de sa hauteur maximale. Cette information est vitale pour les applications sensibles à des longueurs d'onde spécifiques, comme l'adaptation à la sensibilité d'un photodétecteur ou l'évitement des interférences des sources de lumière ambiante.

3.3 Dépendance à la température

La figure 4 représente l'évolution de la tension directe en fonction de la température ambiante pour deux niveaux de courant (20mA et 100mA). La tension directe a un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'elle diminue lorsque la température augmente (environ -1,3 mV/°C à 100mA). La figure 6 montre la courbe de déclassement du courant direct continu maximal admissible en fonction de la température ambiante. Pour maintenir la température de jonction en dessous de 110°C, le courant continu maximal autorisé doit être réduit à mesure que la température ambiante augmente. Par exemple, à 85°C, le courant maximal est nettement inférieur qu'à 25°C.

3.4 Intensité rayonnante vs. Courant et Diagramme de rayonnement

La figure 5 trace l'intensité rayonnante relative en fonction du courant direct continu. La puissance de sortie est généralement proportionnelle au courant mais peut présenter une certaine non-linéarité à des courants très élevés en raison des effets thermiques. La figure 7 est le diagramme de rayonnement (polaire), représentant graphiquement la distribution spatiale de la lumière émise. L'angle de vision de 15 degrés est clairement visible, l'intensité tombant à 50% de la valeur sur l'axe à environ ±7,5 degrés du centre.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

Le dispositif est logé dans un boîtier radial à broches standard T-1 3/4 (5mm). Les dimensions du boîtier sont fournies dans la fiche technique, toutes les mesures étant en millimètres. Les notes clés incluent : une tolérance de ±0,25mm sauf indication contraire, une saillie maximale de la résine sous la collerette de 1,5mm, et l'entraxe des broches mesuré au point où elles sortent du corps du boîtier. Le boîtier assure une protection mécanique et contribue à la dissipation thermique. Les broches sont généralement en un matériau soudable comme le cuivre étamé.

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

La fiche technique spécifie un paramètre de soudage critique : la température de soudage des broches ne doit pas dépasser 260°C pendant une durée de 5 secondes, mesurée à une distance de 1,6mm (0,063 pouces) du corps du boîtier. Cela permet d'éviter les dommages thermiques à la puce semi-conductrice interne et aux fils de liaison. Pour le soudage à la vague ou par refusion, les profils standard pour les composants traversants doivent être suivis, en veillant à ce que la température de pic et le temps au-dessus du liquidus ne dépassent pas la limite spécifiée. Une manipulation appropriée pour éviter les décharges électrostatiques (ESD) est recommandée, bien que non explicitement indiquée, car c'est une bonne pratique pour les dispositifs semi-conducteurs.

6. Suggestions d'applications

6.1 Scénarios d'application typiques

• Télécommandes infrarouges :La longueur d'onde de 875nm est couramment utilisée dans les protocoles IR grand public. La haute vitesse permet un codage de données efficace.
• Souris optiques :Utilisée comme source lumineuse pour éclairer la surface. Le temps de réponse rapide aide au suivi des mouvements rapides.
• Liaisons de données infrarouges (réseaux locaux IR, clés USB) :Le temps de montée/descente de 40ns permet une transmission à haut débit pour la communication sans fil à courte portée.
• Capteurs industriels :Utilisée dans les capteurs de proximité, la détection d'objets et les codeurs où une émission infrarouge fiable est requise.
• Instruments portables :Adaptée aux appareils alimentés par batterie en raison de sa tension directe relativement faible.

6.2 Considérations de conception

• Pilotage du courant :Toujours utiliser une résistance série limitant le courant ou un pilote à courant constant pour éviter de dépasser le courant direct maximal, en tenant compte notamment du coefficient de température négatif de Vf.
• Gestion thermique :Pour un fonctionnement continu à des courants élevés ou à des températures ambiantes élevées, considérez la courbe de déclassement thermique (Fig. 6). Une surface de cuivre sur le circuit imprimé ou un dissipateur thermique peuvent être nécessaires pour maintenir la température de jonction en dessous de 110°C.
• Conception optique :L'angle de vision de 15 degrés est relativement étroit. Des lentilles ou des diffuseurs peuvent être nécessaires pour façonner le faisceau pour des applications spécifiques. Assurez-vous que le récepteur (photodiode/phototransistor) est sensible à la longueur d'onde de 875nm.
• Implantation du circuit :Pour les applications de communication haute vitesse, minimisez la capacité et l'inductance parasites dans le circuit de commande pour préserver les caractéristiques de commutation rapide.

7. Comparaison et différenciation techniques

Bien que de nombreuses DEL infrarouges existent, la HSDL-4260 se différencie par la combinaison de ses paramètres. Comparée aux DEL IR basse vitesse standard utilisées dans les télécommandes simples, elle offre une commutation nettement plus rapide (40ns contre des centaines de ns), la rendant non seulement adaptée à la signalisation simple marche/arrêt mais aussi à la transmission de données pulsées. Sa technologie AlGaAs offre généralement une meilleure efficacité et stabilité thermique que les anciennes technologies GaAs. Le boîtier T-1 3/4 est un standard industriel courant, garantissant une approvisionnement facile et une compatibilité avec les ensembles optiques existants, par rapport aux alternatives CMS qui pourraient offrir une taille plus petite mais présentent des défis thermiques et d'assemblage différents.

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

Q : Puis-je piloter cette DEL directement depuis une broche de microcontrôleur 5V ou 3,3V ?

R : Non. La tension directe typique est d'environ 1,9V à 20mA. La connecter directement à une source 5V sans résistance limitant le courant provoquerait un courant excessif, risquant de détruire la DEL. Une résistance série doit être calculée en fonction de la tension d'alimentation (Vcc), de la tension directe de la DEL (Vf) et du courant souhaité (If) : R = (Vcc - Vf) / If.

Q : Quelle est la différence entre l'intensité rayonnante (mW/Sr) et l'intensité lumineuse ?

R : L'intensité rayonnante mesure la puissance optique (en watts) par angle solide, applicable à toutes les longueurs d'onde. L'intensité lumineuse pondère cette puissance par la sensibilité de l'œil humain (courbe photopique) et est mesurée en candelas (cd). Comme il s'agit d'une DEL infrarouge (lumière invisible), l'intensité lumineuse n'est pas une métrique pertinente ; c'est l'intensité rayonnante qui est utilisée.

Q : Comment interpréter le graphique de déclassement (Fig. 6) ?

R : Le graphique montre le courant continu continu maximal sûr que vous pouvez utiliser à une température ambiante donnée (Ta) pour garantir que la température de jonction (Tj) ne dépasse pas 110°C. Par exemple, à Ta=25°C, vous pouvez utiliser jusqu'à 100mA. À Ta=85°C, le graphique montre que le courant maximal est plus faible (par exemple, environ 60-70mA, selon la lecture exacte). Vous devez fonctionner en dessous de cette ligne.

Q : Pourquoi la tension directe diminue-t-elle avec la température ?

R : C'est une caractéristique de la bande interdite du semi-conducteur dans les matériaux AlGaAs. Lorsque la température augmente, l'énergie de la bande interdite diminue légèrement, nécessitant une tension plus faible pour obtenir le même courant à travers la jonction de la diode.

9. Cas pratique de conception et d'utilisation

Cas : Conception d'un émetteur infrarouge simple pour données.

Objectif : Transmettre un signal modulé à 38kHz pour une télécommande.

Étapes de conception :

1. Circuit de commande :Utiliser un transistor (par exemple, NPN) comme interrupteur. Le microcontrôleur génère le signal numérique 38kHz vers la base du transistor. La DEL est placée dans le circuit du collecteur avec une résistance limitant le courant connectée à Vcc (par exemple, 5V).

2. Calcul du courant :Choisir un courant de fonctionnement, par exemple 50mA pour une bonne intensité. Avec Vf ~1,7V (d'après la fiche technique à ~50mA, par interpolation), et Vcc=5V, la valeur de la résistance R = (5V - 1,7V) / 0,05A = 66 ohms. Utiliser une résistance standard de 68 ohms.

3. Vérification thermique :Dissipation de puissance dans la DEL : Pd = Vf * If = 1,7V * 0,05A = 85mW. Pour un fonctionnement pulsé (cycle de service de 50% pour la porteuse 38kHz), la puissance moyenne est plus faible. À température ambiante, cela est bien dans les limites.

4. Implantation :Garder le transistor de commande et la résistance près de la DEL pour minimiser la surface de boucle et le bruit.

10. Introduction au principe

Une DEL infrarouge est une diode à jonction p-n semi-conductrice. Lorsqu'elle est polarisée en direct (tension positive appliquée au côté p par rapport au côté n), les électrons de la région n et les trous de la région p sont injectés dans la région de jonction. Lorsque ces porteurs de charge se recombinent, ils libèrent de l'énergie. Dans des matériaux comme l'AlGaAs, cette énergie est libérée principalement sous forme de photons (lumière) plutôt que de chaleur. La longueur d'onde spécifique de la lumière émise (875nm dans ce cas) est déterminée par l'énergie de la bande interdite du matériau semi-conducteur, qui est conçue lors du processus de croissance cristalline. La vitesse de commutation rapide (40ns) est obtenue en minimisant la capacité parasite du boîtier et de la structure semi-conductrice et en utilisant des matériaux permettant une recombinaison rapide des porteurs.

11. Tendances de développement

Le domaine de l'optoélectronique infrarouge continue d'évoluer. Les tendances pertinentes pour des dispositifs comme la HSDL-4260 incluent :

Efficacité accrue :La recherche continue sur les matériaux vise à produire des DEL avec une efficacité énergétique plus élevée (puissance optique sortante / puissance électrique entrante), conduisant à une émission plus brillante ou à une consommation d'énergie plus faible pour les appareils à piles.

Vitesse plus élevée :La demande pour une transmission de données plus rapide dans l'électronique grand public (par exemple, Li-Fi, liaisons de données IR haute vitesse) stimule le développement de DEL avec des temps de montée inférieurs à la nanoseconde.

Miniaturisation :Bien que le boîtier T-1 3/4 reste populaire, il existe une forte tendance vers les boîtiers CMS (par exemple, 0805, 0603, à l'échelle de la puce) pour l'assemblage automatisé et des facteurs de forme plus petits.

Intégration :Combiner la DEL avec un circuit intégré de commande, un photodétecteur ou une lentille en un seul module simplifie la conception du système pour les utilisateurs finaux.

Spécificité de longueur d'onde :Développement de DEL avec des largeurs de bande spectrales plus étroites pour des applications nécessitant un appariement précis de longueur d'onde, comme la détection de gaz ou l'instrumentation biomédicale.