Fiche technique HSDL-4261 - Émetteur infrarouge 870nm - Tension directe 1,4V - Dissipation 190mW - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le HSDL-4261 est un composant discret d'émetteur infrarouge conçu pour les applications nécessitant une transmission optique de données à haute vitesse. Il utilise la technologie LED AlGaAs (Arséniure de Gallium-Aluminium) pour produire une lumière infrarouge à une longueur d'onde pic de 870 nanomètres. Ce dispositif se caractérise par ses capacités de commutation rapide, le rendant adapté aux interfaces de communication numérique.

1.1 Avantages principaux

• Fonctionnement à haute vitesse :Présente un temps de montée et de descente optique typique de 15 nanosecondes, permettant la transmission de données dans des applications à large bande passante.
• Puissance optique élevée :Délivre une intensité rayonnante élevée, fournissant un signal fort pour une communication infrarouge fiable.
• Conforme RoHS :Fabriqué en tant que produit sans plomb, conforme aux réglementations environnementales.
• Boîtier transparent :Logé dans un boîtier de couleur transparente qui ne filtre pas la lumière infrarouge émise.

1.2 Applications cibles

• Équipements industriels infrarouges
• Instruments portables infrarouges
• Électronique grand public (ex. : souris optiques)
• Communications infrarouges à haute vitesse (ex. : réseaux locaux IR, modems, clés USB)

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Toutes les spécifications sont définies à une température ambiante (TA) de 25°C sauf indication contraire.

2.1 Limites absolues

Ces limites définissent les seuils au-delà desquels des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement dans ces conditions n'est pas garanti.

• Courant direct continu (IFDC) :100 mA maximum.
• Courant direct de crête (IFPK) :500 mA maximum, en conditions pulsées (Facteur de service=20%, Largeur d'impulsion=100µs).
• Dissipation de puissance (PDISS) :190 mW maximum. Doit être déclassée avec l'augmentation de la température ambiante comme indiqué sur les courbes caractéristiques.
• Tension inverse (VR) :5 V maximum.
• Plage de température de stockage (TS) :-40°C à +100°C.
• Plage de température de fonctionnement (TO) :-40°C à +85°C.
• Température de jonction (TJ) :110°C maximum.
• Température de soudure des broches :260°C pendant un maximum de 5 secondes, avec la pointe du fer à au moins 1,6 mm du corps du boîtier.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ce sont les paramètres de performance typiques dans les conditions de test spécifiées.

• Puissance optique rayonnante (Po) :Typiquement 9 mW à IF=20mA et 45 mW à IF=100mA.
• Intensité rayonnante sur l'axe (IE) :Typiquement 36 mW/sr à IF=20mA et 180 mW/sr à IF=100mA.
• Longueur d'onde d'émission pic (λPic) :870 nm typique (plage : 850 nm à 890 nm) à IF=20mA.
• Demi-largeur de raie spectrale (Δλ) :Approximativement 47 nm à IF=20mA.
• Tension directe (Vf) :Typiquement 1,4 V à IF=20mA et 1,7 V à IF=100mA.
• Coefficient de température de la tension directe (△V/△T) :Approximativement -1,5 mV/°C à IF=20mA.
• Angle de vision (2θ1/2) :26 degrés typique, définissant l'étalement angulaire du rayonnement émis.
• Coefficient de température de l'intensité (△IE/△T) :Approximativement -0,22 %/°C à IF=100mA, indiquant une diminution de la sortie avec l'augmentation de la température.
• Coefficient de température de la longueur d'onde (△λ/△T) :Approximativement +0,18 nm/°C à IF=20mA.
• Temps de montée/descente optique (Tr/Tf) :15 ns typique, mesuré de 10% à 90% de la sortie optique.
• Résistance série (RS) :Typiquement 4,1 Ohms à IF=100mA.
• Capacité de diode (CO) :Typiquement 80 pF à une polarisation de 0V et 1 MHz.
• Résistance thermique (RθJA) :Typiquement 280 °C/W de la jonction vers l'ambiant via les broches.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs graphiques illustrant les relations clés.

3.1 Courant direct vs. Intensité rayonnante relative

Cette courbe montre que l'intensité de sortie optique augmente de manière super-linéaire avec le courant direct, en particulier aux courants plus élevés. Elle souligne l'importance du courant d'alimentation pour atteindre la luminosité souhaitée.

3.2 Tension directe vs. Courant direct

La courbe caractéristique I-V démontre la relation exponentielle typique d'une diode. La tension directe augmente avec le courant et dépend également de la température.

3.3 Tension directe vs. Température ambiante

Ce graphique montre le coefficient de température négatif de la tension directe. À courant constant, Vf diminue lorsque la température augmente, ce qui est une considération critique pour les circuits d'alimentation à tension constante.

3.4 Déclassement du courant direct continu vs. Température ambiante

Il s'agit d'un graphique crucial pour la fiabilité. Il définit le courant direct continu maximal autorisé en fonction de la température ambiante. Lorsque la température augmente, le courant maximal autorisé doit être réduit pour empêcher la température de jonction de dépasser sa limite de 110°C. Par exemple, à 85°C, le courant continu maximal est nettement inférieur qu'à 25°C.

3.5 Diagramme de rayonnement

Le diagramme polaire illustre la distribution spatiale de la lumière infrarouge émise. Le HSDL-4261 a un angle de vision typique de 26 degrés (largeur à mi-hauteur), résultant en un faisceau modérément focalisé adapté aux liaisons de communication dirigées.

4. Informations mécaniques et d'emballage

4.1 Dimensions de contour

Le dispositif est un boîtier LED traversant standard. Les dimensions clés incluent l'espacement des broches, le diamètre du corps et la hauteur totale. Les broches sont conçues pour être formées à un point situé à au moins 3 mm de la base de la lentille. Une protubérance minimale de résine sous la collerette est spécifiée. Toutes les tolérances dimensionnelles sont typiquement de ±0,25 mm sauf indication contraire.

4.2 Identification de la polarité

Le composant utilise le marquage de polarité LED standard. La broche la plus longue désigne typiquement l'anode (connexion positive), tandis que la broche la plus courte est la cathode (connexion négative). Ceci doit être vérifié lors de l'assemblage pour assurer un fonctionnement correct.

5. Lignes directrices de soudure et d'assemblage

5.1 Conditions de stockage

Pour un stockage à long terme, l'ambiance ne doit pas dépasser 30°C ou 70% d'humidité relative. S'ils sont retirés de leur sachet barrière d'humidité d'origine, les composants doivent être utilisés dans les trois mois. Pour un stockage prolongé hors de l'emballage d'origine, utiliser un conteneur scellé avec dessiccant ou un dessiccateur rempli d'azote.

5.2 Nettoyage

Si un nettoyage est nécessaire, utiliser uniquement des solvants à base d'alcool comme l'alcool isopropylique. Les produits chimiques agressifs doivent être évités.

5.3 Formage des broches

Le pliage doit être effectué à température ambiante et avant la soudure. Le pli doit être fait à au moins 3 mm de la base de la lentille LED. Le corps du boîtier ne doit pas être utilisé comme point d'appui pendant le pliage pour éviter d'endommager la fixation interne de la puce ou les fils de liaison.

5.4 Paramètres de soudure

Soudure manuelle (Fer) :Température maximale 260°C pendant un maximum de 5 secondes par broche. La pointe du fer doit être à au moins 1,6 mm de la base de la lentille en époxy.

Soudure à la vague :Préchauffer à un maximum de 100°C pendant jusqu'à 60 secondes. La température de la vague de soudure doit être au maximum de 260°C avec un temps de contact de 5 secondes. Le dispositif doit être immergé à pas moins de 2 mm de la base de l'ampoule en époxy.

Important :Il faut éviter d'immerger la lentille dans la soudure. La soudure par refusion IR n'est pas adaptée à ce type de boîtier traversant. Une température ou un temps excessif peut provoquer une déformation de la lentille ou une défaillance catastrophique.

6. Considérations de conception d'application

6.1 Conception du circuit de commande

Les LED sont des dispositifs commandés en courant. Pour assurer une luminosité uniforme lors de la commande de plusieurs LED en parallèle, il est fortement recommandé d'utiliser une résistance de limitation de courant individuelle en série avec chaque LED. Connecter des LED directement en parallèle sans résistances individuelles n'est pas conseillé en raison des variations de leurs caractéristiques de tension directe (Vf), ce qui peut entraîner un déséquilibre de courant important et une luminosité inégale.

6.2 Gestion thermique

Étant donné la résistance thermique (RθJA) de 280°C/W, la dissipation de puissance doit être soigneusement gérée. Fonctionner au courant continu maximal (100mA) avec une Vf typique de 1,7V entraîne une dissipation de 170mW. Cela provoquerait une élévation de température de jonction d'environ 47,6°C au-dessus de l'ambiant (170mW * 280°C/W). À une ambiance de 85°C, la jonction atteindrait 132,6°C, dépassant la limite maximale de 110°C. Par conséquent, la courbe de déclassement de la Figure 6 doit être strictement suivie.

6.3 Protection contre les décharges électrostatiques (ESD)

Ce composant est sensible aux dommages causés par les décharges électrostatiques. Les précautions de manipulation recommandées incluent :

- Utiliser un bracelet antistatique relié à la terre ou des gants antistatiques.

- S'assurer que tout l'équipement, les postes de travail et les racks de stockage sont correctement mis à la terre.

- Utiliser un ioniseur pour neutraliser la charge statique qui peut s'accumuler sur la lentille plastique pendant la manipulation.

6.4 Conception optique

L'angle de vision de 26 degrés et la longueur d'onde de 870nm doivent être appariés avec un photodétecteur approprié (ex. : une photodiode PIN avec une réponse spectrale correspondante). Pour une portée et une intégrité du signal optimales, envisagez d'utiliser des lentilles ou des ouvertures pour collimater ou focaliser le faisceau, en particulier dans les liaisons de communication dirigées. Le boîtier transparent permet l'utilisation d'éléments optiques externes sans filtrage intrinsèque.

7. Comparaison et différenciation techniques

Le HSDL-4261 se positionne sur le marché des émetteurs infrarouges grâce à des combinaisons spécifiques de paramètres :

Vitesse vs. Puissance :Il offre un équilibre entre une commutation haute vitesse (15ns) et une puissance optique de sortie relativement élevée (45mW typ. à 100mA). Certains émetteurs peuvent être plus rapides avec une puissance plus faible, ou plus puissants avec une réponse plus lente.

Longueur d'onde :La longueur d'onde pic de 870nm est une norme courante pour de nombreuses liaisons de données infrarouges et systèmes de télécommande, offrant un bon équilibre entre la sensibilité des photodétecteurs au silicium et un bruit de lumière ambiante plus faible par rapport aux longueurs d'onde visibles ou quasi-visibles.

Boîtier :Le boîtier traversant standard le rend adapté à la fois au prototypage et aux applications où la soudure à la vague est utilisée, le différenciant des alternatives CMS qui nécessitent des procédés de refusion.

8. Questions fréquemment posées (FAQ)

8.1 Puis-je alimenter cette LED avec une source de tension constante ?

Ce n'est pas recommandé. La caractéristique I-V exponentielle d'une LED signifie qu'un petit changement de tension provoque un grand changement de courant, ce qui peut facilement dépasser la limite maximale si elle est alimentée directement par une source de tension. Utilisez toujours une résistance série ou un pilote à courant constant pour définir le point de fonctionnement.

8.2 Pourquoi l'intensité de sortie diminue-t-elle avec la température ?

Le coefficient de température négatif de l'intensité rayonnante (-0,22%/°C) est une propriété fondamentale du matériau semi-conducteur. Lorsque la température augmente, les processus de recombinaison non radiatifs au sein du semi-conducteur deviennent plus dominants, réduisant l'efficacité de la génération de lumière.

8.3 Quel est l'objectif de la courbe de déclassement ?

La courbe de déclassement (Fig. 6) est essentielle pour assurer la fiabilité à long terme. Elle empêche la température de jonction de la LED de dépasser sa valeur maximale nominale (110°C) en limitant la dissipation de puissance (et donc le courant direct) à mesure que la température ambiante augmente. Ignorer cette courbe peut entraîner une dégradation rapide et une défaillance.

8.4 Cette LED est-elle adaptée à un fonctionnement continu ?

Oui, mais dans les limites définies par les Limites Absolues et la courbe de déclassement. Pour un fonctionnement continu en courant continu, le courant direct ne doit pas dépasser 100mA à 25°C ambiant et doit être réduit à des températures ambiantes plus élevées selon la Fig. 6. Pour un fonctionnement pulsé avec des courants de crête élevés, les spécifications de cycle de service et de largeur d'impulsion doivent être respectées.

9. Exemple d'application pratique

Scénario : Conception d'un simple émetteur de données IR pour une communication série à courte portée.

1. Conception du circuit :Utiliser une broche GPIO d'un microcontrôleur pour piloter la LED. Placer une résistance de limitation de courant en série avec l'anode de la LED. Calculer la valeur de la résistance en utilisant R = (Vcc - Vf_LED) / I_souhaité. Pour une alimentation de 3,3V, un courant souhaité de 50mA, et une Vf typique de 1,5V : R = (3,3V - 1,5V) / 0,05A = 36 Ohms. Utiliser la valeur standard suivante (ex. : 39 Ohms).

2. Vérification thermique :Dissipation de puissance dans la LED : P = Vf * I = 1,5V * 0,05A = 75mW. Élévation de température de jonction : ΔTj = P * RθJA = 0,075W * 280°C/W = 21°C. À une ambiance maximale de 85°C, Tj = 106°C, ce qui est en dessous de la limite de 110°C.

3. Logiciel :Configurer le microcontrôleur pour générer la modulation numérique souhaitée (ex. : Modulation par tout ou rien) sur la broche GPIO. Le temps de montée/descente de 15ns de la LED permet des débits de données élevés.

4. Implantation :Garder la LED et sa résistance série proches de la broche de pilotage pour minimiser l'inductance parasite. S'assurer que le récepteur (photodiode) est aligné dans l'angle de vision de 26 degrés de l'émetteur.

10. Principe de fonctionnement

Le HSDL-4261 est une diode à jonction p-n semi-conductrice basée sur des matériaux AlGaAs. Lorsqu'une tension de polarisation directe est appliquée, les électrons de la région n et les trous de la région p sont injectés à travers la jonction dans les régions opposées. Ces porteurs minoritaires injectés se recombinent avec les porteurs majoritaires. Dans un semi-conducteur à bande interdite directe comme l'AlGaAs, une partie significative de ces recombinaisons est radiative, ce qui signifie qu'elles libèrent de l'énergie sous forme de photons. La largeur de bande interdite spécifique de l'alliage AlGaAs utilisé détermine la longueur d'onde des photons émis, qui dans ce cas est centrée autour de 870nm dans le spectre infrarouge. Le boîtier en époxy transparent encapsule la puce semi-conductrice, fournit une protection mécanique et agit comme une lentille pour façonner le faisceau de sortie.

11. Tendances de l'industrie

Les émetteurs infrarouges continuent d'évoluer dans plusieurs domaines clés pertinents pour des composants comme le HSDL-4261 :

Vitesse accrue :La demande de débits de données plus élevés dans la communication optique sans fil (Li-Fi, IRDA haute vitesse) stimule le développement d'émetteurs avec des temps de montée/descente encore plus rapides.

Efficacité améliorée :Les améliorations dans la croissance épitaxiale et la conception des puces visent à produire plus de puissance optique (lumens ou flux rayonnant) par unité de puissance électrique d'entrée (watts), réduisant la génération de chaleur et améliorant l'efficacité du système.

Intégration :Il y a une tendance à intégrer l'émetteur avec le circuit de commande ou même avec un photodétecteur dans un seul boîtier pour créer des modules d'émetteur-récepteur optique complets, simplifiant la conception de l'utilisateur final.

Nouvelles longueurs d'onde :Bien que 870-940nm reste standard pour les récepteurs à base de silicium, il existe des recherches sur d'autres longueurs d'onde pour des applications spécifiques comme la détection de gaz ou le LiDAR sans danger pour les yeux.