Fiche technique d'émetteur et détecteur IR - Boîtier transparent - Tension directe 1,6V - Intensité rayonnante jusqu'à 7,669 mW/sr - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Ce document détaille les spécifications d'un composant émetteur et détecteur infrarouge (IR) miniature et économique, logé dans un boîtier plastique transparent. Le dispositif est conçu pour des applications en bout, ce qui signifie que la zone active de détection/émission est positionnée à l'extrémité du boîtier. Il est sélectionné et classé selon des plages spécifiques d'intensité rayonnante et d'incidence rayonnante d'ouverture, garantissant ainsi des performances constantes pour les applications nécessitant une puissance optique ou une sensibilité précise. Le boîtier transparent permet une transmission efficace de la lumière infrarouge tout en assurant une protection physique pour la puce semi-conductrice.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Valeurs maximales absolues

Le dispositif est conçu pour fonctionner de manière fiable dans les limites absolues suivantes, au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir. La dissipation de puissance est spécifiée à 90 mW. Pour un fonctionnement en impulsions, il peut supporter un courant direct de crête de 1 Ampère dans des conditions de 300 impulsions par seconde avec une largeur d'impulsion de 10 microsecondes. Le courant direct continu maximal est de 60 mA. Le composant peut supporter une tension inverse allant jusqu'à 5 Volts. La plage de température de fonctionnement est de -40°C à +85°C, tandis que la plage de température de stockage s'étend de -55°C à +100°C. Pour le montage, les broches peuvent être soudées à une température de 260°C pendant une durée de 5 secondes, mesurée à une distance de 1,6 mm du corps du boîtier.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Tous les paramètres électriques et optiques sont spécifiés à une température ambiante (T_A) de 25°C. Les paramètres clés définissent les performances du dispositif dans des conditions de test standard.

• Incidence rayonnante d'ouverture (E_e) :Ce paramètre, mesuré en mW/cm², représente la densité de puissance optique incidente sur la zone active du détecteur. Il est testé avec un courant direct (I_F) de 20mA. Les valeurs sont classées, allant d'un minimum de 0,096 mW/cm² (Classe A1) jusqu'à un maximum typique de 1,020 mW/cm² (Classe C).
• Intensité rayonnante (I_E) :Mesurée en mW/sr (milliwatts par stéradian), ce paramètre définit la puissance optique émise par unité d'angle solide pour l'émetteur IR. Également testé à I_F=20mA, il varie de 0,722 mW/sr (Classe A1) à 7,669 mW/sr (Classe C).
• Longueur d'onde d'émission de crête (λ_crête) :La sortie de l'émetteur infrarouge est centrée sur une longueur d'onde nominale de 940 nanomètres.
• Demi-largeur de raie spectrale (Δλ) :La largeur de bande spectrale, où l'intensité est au moins la moitié de la valeur de crête, est typiquement de 50 nm, indiquant une source IR relativement à bande étroite.
• Tension directe (V_F) :La chute de tension aux bornes du dispositif lorsqu'il conduit 20mA est typiquement de 1,6 Volts, avec un maximum de 1,6V.
• Courant inverse (I_R) :Lorsqu'une polarisation inverse de 5V est appliquée, le courant de fuite est de 100 µA maximum.
• Angle de vision (2θ_1/2) :L'étalement angulaire auquel l'intensité rayonnante tombe à la moitié de sa valeur à 0 degré (sur l'axe) est de 60 degrés. Ceci définit le diagramme de rayonnement ou le champ de vision.

3. Explication du système de classement

Le composant utilise un système de classement principalement basé sur ses caractéristiques de sortie optique. Cela garantit que les dispositifs d'une classe spécifique ont des performances étroitement appariées, ce qui est crucial pour les applications nécessitant de la cohérence, comme dans les réseaux ou les systèmes appairés émetteur-détecteur.

• Classement par Intensité Rayonnante / Incidence Rayonnante d'Ouverture :Le dispositif est catégorisé en classes étiquetées A1, A, B, C et D. Chaque classe correspond à une plage spécifique de valeurs minimales et typiques/maximales à la fois pour l'Intensité Rayonnante (I_E) et l'Incidence Rayonnante d'Ouverture (E_e). Par exemple, un dispositif de Classe C aura un I_Eentre 3,910 et 7,669 mW/sr et un E_eentre 0,520 et 1,020 mW/cm² lorsqu'il est piloté à 20mA. Cela permet aux concepteurs de sélectionner des composants avec le niveau de puissance optique précis requis pour leur application, optimisant ainsi la force du signal et les performances du système.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique comprend plusieurs graphiques illustrant le comportement du dispositif dans différentes conditions.

• Figure 1 - Distribution spectrale :Cette courbe montre l'intensité rayonnante relative en fonction de la longueur d'onde. Elle confirme l'émission de crête à 940nm et la demi-largeur approximative de 50nm, fournissant un aperçu de la pureté spectrale de la sortie IR.
• Figure 2 - Courant direct vs Température ambiante :Ce graphique représente la déclassement du courant direct continu maximal autorisé lorsque la température ambiante augmente. Il est essentiel pour la gestion thermique et pour garantir que le dispositif fonctionne dans sa zone de fonctionnement sûre (SOA).
• Figure 3 - Courant direct vs Tension directe :Il s'agit de la courbe caractéristique courant-tension (I-V). Elle montre la relation entre la tension directe appliquée et le courant résultant, mettant en évidence la tension de seuil typique et la résistance dynamique du dispositif.
• Figure 4 - Intensité rayonnante relative vs Température ambiante :Cette courbe illustre comment la puissance optique de sortie (relative à sa valeur à 20mA et 25°C) change avec la température. Typiquement, la sortie d'une LED diminue lorsque la température augmente, et ce graphique quantifie cette relation.
• Figure 5 - Intensité rayonnante relative vs Courant direct :Ceci montre la puissance optique de sortie en fonction du courant de commande. Il s'agit généralement d'une relation super-linéaire, mais la courbe aide les concepteurs à comprendre les points d'efficacité et de saturation à différents niveaux de courant.
• Figure 6 - Diagramme de rayonnement :Ce tracé polaire représente visuellement l'angle de vision ou le diagramme de rayonnement. Les cercles concentriques indiquent l'intensité relative (de 0 au centre à 1,0 au bord extérieur), et les lignes angulaires montrent la distribution. La spécification 2θ_1/2= 60° est confirmée par les points où la courbe coupe le cercle d'intensité relative 0,5.

5. Informations mécaniques et d'emballage

5.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif utilise un boîtier plastique miniature en bout. Les notes dimensionnelles clés incluent : toutes les dimensions sont en millimètres (avec les pouces entre parenthèses) ; la tolérance standard est de ±0,25 mm sauf indication contraire ; la saillie maximale de la résine sous la bride est de 1,5 mm ; et l'espacement des broches est mesuré au point où les broches sortent du corps du boîtier. Le dessin dimensionnel exact est référencé dans la fiche technique, définissant la longueur totale, le diamètre du corps, le diamètre des broches et l'espacement critiques pour la conception de l'empreinte PCB.

5.2 Identification de la polarité

Pour un émetteur/détecteur IR dans un boîtier à broches radiales, la polarité est généralement indiquée par les caractéristiques physiques du dispositif, comme un côté plat sur le corps du boîtier ou une broche plus courte que l'autre. La méthode d'identification spécifique doit être recoupée avec le dessin détaillé du boîtier. Une connexion de polarité correcte est essentielle pour un fonctionnement adéquat.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le composant convient aux procédés de soudure standard. Le paramètre critique spécifié est la température de soudure des broches : 260°C pendant un maximum de 5 secondes, le point de mesure étant défini à 1,6 mm (0,063") du corps du boîtier. Cette directive est cruciale pour la soudure à la vague ou la soudure manuelle afin d'éviter les dommages thermiques à la puce semi-conductrice interne ou au boîtier plastique. Pour la soudure par refusion, un profil standard pour les composants traversants avec des limites thermiques similaires doit être utilisé. Les composants doivent être stockés dans la plage de température spécifiée de -55°C à +100°C dans un environnement sec pour éviter l'absorption d'humidité, ce qui pourrait provoquer un "effet pop-corn" pendant la refusion.

7. Recommandations d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

Cette paire émetteur/détecteur IR convient à un large éventail d'applications de détection de proximité, de détection d'objets et de transmission de données. Les utilisations courantes incluent :

• Détection d'objet/proximité :Dans les distributeurs automatiques, imprimantes ou équipements industriels pour détecter la présence ou l'absence d'un objet.
• Capteurs de fente :Pour détecter le papier dans les imprimantes ou les tickets dans les valideurs.
• Liaisons de données simples :Transmission de données infrarouge à basse vitesse et courte distance pour les télécommandes ou les canaux de communication isolés.
• Encodeurs :Dans les encodeurs rotatifs ou linéaires pour la rétroaction de position, où une lame d'interruption passe entre l'émetteur et le détecteur.

7.2 Considérations de conception

Lors de la conception avec ce composant, plusieurs facteurs doivent être pris en compte :

• Limitation de courant :Pour l'émetteur, une résistance en série est obligatoire pour limiter le courant direct au niveau souhaité (≤60mA continu, ≤1A en impulsions). La valeur est calculée en utilisant la tension d'alimentation (V_CC), le I_F désiré, et le V_F typique (par exemple, R = (V_CC- V_F) / I_F).
• Polarisation et amplification du détecteur :Le photodétecteur nécessite généralement une polarisation inverse (jusqu'à 5V) et son courant de sortie est très faible (lié à E_e). Un amplificateur de transimpédance (TIA) est souvent nécessaire pour convertir ce faible photocourant en un signal de tension utilisable.
• Alignement optique :Pour les applications appairées émetteur-détecteur, un alignement mécanique précis est crucial pour maximiser la force du signal. L'angle de vision de 60 degrés offre une certaine tolérance.
• Rejet de la lumière ambiante :Puisque le dispositif est sensible à la lumière de 940nm, il peut être affecté par la lumière du soleil ou d'autres sources IR. L'utilisation de signaux IR modulés et d'une détection synchrone (par exemple, une porteuse de 38kHz courante dans les télécommandes) peut améliorer considérablement l'immunité au bruit.
• Gestion thermique :La courbe de déclassement (Fig. 2) doit être consultée pour les environnements à haute température afin d'éviter de dépasser la dissipation de puissance maximale.

8. Comparaison et différenciation techniques

Comparé à d'autres composants IR, les principaux points de différenciation de ce dispositif sont sonboîtier plastique transparentet sonclassement optique précis. De nombreuses LED IR et photodiodes utilisent des boîtiers teintés (par exemple, bleu, noir) qui filtrent la lumière visible mais peuvent aussi atténuer légèrement la longueur d'onde IR souhaitée. Un boîtier transparent offre une efficacité de transmission potentiellement plus élevée à 940nm. Le classement rigoureux sur l'intensité rayonnante et l'incidence permet des performances système prévisibles et constantes, ce qui est un avantage par rapport aux pièces non classées ou faiblement classées où les performances peuvent varier considérablement d'une unité à l'autre. La taille miniature et le faible coût le rendent adapté aux applications grand public et commerciales à grand volume.

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

Q : Quelle est la différence entre l'Incidence Rayonnante d'Ouverture (E_e) et l'Intensité Rayonnante (I_E) ?

R : E_eest une mesure de la densité de puissance (mW/cm²) incidente sur une surface (la zone active du détecteur). I_Eest une mesure de la puissance de sortie de l'émetteur par angle solide (mW/sr). Elles sont liées mais décrivent respectivement les performances du côté détecteur et du côté émetteur.

Q : Puis-je alimenter l'émetteur directement avec une alimentation 5V ?

R : Non. Avec un V_Ftypique de 1,6V, connecter 5V directement provoquerait un courant excessif, détruisant probablement la LED. Vous devez utiliser une résistance de limitation de courant.

Q : Comment choisir la bonne classe pour mon application ?

R : Choisissez en fonction de la force de signal requise. Pour la détection à longue distance ou à faible réflectivité, une classe supérieure (C, D) fournit plus de puissance optique. Pour les circuits détecteurs à courte portée ou à haute sensibilité, une classe inférieure peut être suffisante et plus économique. La cohérence entre plusieurs unités dans un système peut également dicter le choix de la classe.

Q : Que signifie la spécification d'angle de vision pour le détecteur ?

R : Pour le détecteur, l'angle de vision de 60 degrés (2θ_1/2) définit son champ de vision. La lumière incidente dans ce cône de ±30 degrés par rapport à l'axe sera détectée avec une sensibilité raisonnable. La lumière en dehors de cet angle sera largement ignorée, ce qui peut aider à rejeter la lumière parasite provenant de directions indésirables.

10. Exemple d'application pratique

Cas de conception : Capteur de fin de papier dans une imprimante

Dans cette application, l'émetteur et le détecteur IR sont montés sur les côtés opposés du chemin du papier. Lorsque le papier est présent, il réfléchit le faisceau IR de l'émetteur vers le détecteur. Lorsque le bac à papier est vide, le faisceau se propage sans obstacle et n'est pas réfléchi vers le détecteur (ou frappe une surface réfléchissante différente). Le circuit du détecteur surveille le niveau du signal reçu. Une étape de conception clé consiste à sélectionner une classe appropriée (par exemple, Classe B) pour s'assurer que le signal réfléchi par le papier est suffisamment fort pour être distingué de manière fiable de l'état "pas de papier", même avec des variations de réflectivité du papier. Le courant de commande de l'émetteur est fixé à 20mA via une résistance, fournissant la puissance optique de référence. La sortie du détecteur est envoyée à un comparateur avec un seuil fixé entre les niveaux de tension "papier présent" et "papier absent". L'angle de vision de 60 degrés aide à garantir que le capteur fonctionne même avec un léger désalignement lors de l'assemblage de l'imprimante.

11. Introduction au principe de fonctionnement

Le dispositif se compose de deux composants semi-conducteurs principaux : une Diode Électroluminescente Infrarouge (LED IR) et une Photodiode. LaLED IRfonctionne sur le principe de l'électroluminescence. Lorsqu'elle est polarisée en direct, les électrons et les trous se recombinent dans la région active du semi-conducteur, libérant de l'énergie sous forme de photons. La composition du matériau (généralement à base d'Arséniure de Gallium, GaAs) est conçue de sorte que cette énergie photonique corresponde à une longueur d'onde dans le spectre infrarouge, spécifiquement autour de 940nm. LaPhotodiodefonctionne en inverse. Les photons incidents dont l'énergie est supérieure à la bande interdite du semi-conducteur sont absorbés, créant des paires électron-trou. Ces porteurs de charge sont séparés par le champ électrique interne de la jonction polarisée en inverse, générant un photocourant proportionnel à l'intensité de la lumière incidente. Le boîtier plastique transparent agit comme une lentille et une fenêtre, protégeant les puces semi-conductrices délicates tout en permettant le passage efficace du rayonnement infrarouge à 940nm.

12. Tendances et évolutions technologiques

Dans le domaine de l'optoélectronique pour la détection, plusieurs tendances sont pertinentes pour des composants comme celui-ci. Il y a une poussée continue vers laminiaturisation, les boîtiers pour montage en surface (SMD) devenant plus répandus que les types traversants pour l'assemblage automatisé.Une intégration plus élevéeest une autre tendance, où l'émetteur, le détecteur et le circuit de conditionnement de signal (amplificateur, comparateur) sont combinés en un seul module, simplifiant la conception pour les utilisateurs finaux. La demande pour unrapport signal/bruit amélioréet un rejet de la lumière ambiante pousse à l'utilisation de bandes de longueurs d'onde spécifiques et de filtrage optique avancé intégré au boîtier. De plus, les applications dans l'Internet des Objets (IoT) et les dispositifs portables stimulent le besoin de composants avec uneconsommation d'énergie plus faibletout en maintenant une portée de détection et une fiabilité adéquates. Bien que ce composant spécifique représente une solution mature et économique, les conceptions plus récentes intègrent souvent ces exigences en évolution.