Fiche technique de la LED infrarouge 940nm - Documentation technique

1. Vue d'ensemble du produit

Ce document fournit une vue d'ensemble technique complète d'un composant de diode électroluminescente (LED) infrarouge (IR). La fonction principale de ce dispositif est d'émettre de la lumière dans le spectre du proche infrarouge, spécifiquement à une longueur d'onde pic (λp) de 940 nanomètres (nm). Cette longueur d'onde est invisible à l'œil humain mais est très efficace pour diverses applications de détection et de télécommande. Le composant est conçu pour être intégré dans des assemblages électroniques nécessitant une source de lumière IR fiable et constante.

L'avantage principal de cette LED IR réside dans son émission spécifiée à 940nm, qui est une norme courante pour l'électronique grand public comme les télécommandes de télévision et les capteurs de proximité. Cette longueur d'onde offre un bon équilibre entre la sensibilité des photodétecteurs au silicium et le rejet de la lumière ambiante. Le marché cible comprend l'électronique grand public, l'automatisation industrielle, les systèmes de sécurité et toute application nécessitant une lumière non visible pour la signalisation, la détection ou la transmission de données.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

L'extrait PDF fourni met en évidence un seul paramètre photométrique critique : la longueur d'onde pic.

2.1 Caractéristiques photométriques

Longueur d'onde pic (λp) : 940nm

Il s'agit de la longueur d'onde la plus importante émise par la LED, où l'intensité rayonnante est à son maximum. Un pic à 940nm est significatif pour plusieurs raisons :

• Compatibilité avec les détecteurs au silicium :Les photodiodes et phototransistors au silicium, les détecteurs IR les plus courants, ont une sensibilité pic typiquement dans la plage de 800nm à 950nm. Une source à 940nm s'aligne bien avec cela, garantissant une détection efficace et une force de signal élevée.
• Faible émission de lumière visible :Alors que certaines LED proche-IR émettent une faible lueur rouge, les LED à 940nm sont pratiquement invisibles, ce qui les rend idéales pour les applications discrètes ou lorsque la fuite de lumière visible est indésirable.
• Immunité à la lumière solaire :Le spectre d'irradiance solaire présente un minimum local autour de 940nm, ce qui aide les capteurs utilisant cette longueur d'onde à être moins sensibles aux interférences de la lumière solaire ambiante par rapport, par exemple, aux LED à 850nm.

Bien que l'extrait PDF ne montre que la longueur d'onde pic, une fiche technique complète inclurait typiquement des paramètres photométriques supplémentaires tels que l'intensité rayonnante (en milliwatts par stéradian, mW/sr), l'angle de vision (angle à mi-intensité en degrés) et la largeur de bande spectrale (largeur à mi-hauteur, FWHM, en nm).

2.2 Paramètres électriques

Bien que non explicitement listés dans le texte fourni, la compréhension des caractéristiques électriques est fondamentale pour la conception.

• Tension directe (Vf) :La chute de tension aux bornes de la LED lorsqu'elle fonctionne à son courant spécifié. Pour les LED IR typiques, cela varie souvent de 1,2V à 1,6V, mais la valeur exacte dépend du matériau semi-conducteur et de la conception de la puce. Ce paramètre est crucial pour sélectionner une résistance de limitation de courant ou un circuit de pilotage approprié.
• Courant direct (If) :Le courant de fonctionnement continu recommandé, typiquement entre 20mA et 100mA pour les boîtiers standard. Dépasser le courant direct maximum peut entraîner une dégradation rapide ou une défaillance catastrophique.
• Tension inverse (Vr) :La tension maximale que la LED peut supporter lorsqu'elle est polarisée en inverse sans dommage, généralement autour de 5V. La dépasser peut provoquer la rupture de la jonction PN.
• Dissipation de puissance :Calculée comme Vf * If, elle détermine la charge thermique sur le composant et influence le besoin de dissipation thermique.

2.3 Caractéristiques thermiques

Les performances et la durée de vie de la LED dépendent fortement de la température de jonction.

• Résistance thermique (Rθj-a) :La résistance au flux de chaleur de la jonction semi-conductrice vers l'air ambiant, exprimée en degrés Celsius par watt (°C/W). Une valeur plus basse indique une meilleure capacité de dissipation thermique.
• Température de jonction maximale (Tj max) :La température maximale autorisée au niveau de la jonction semi-conductrice. Fonctionner au-dessus de cette limite réduit considérablement la durée de vie de la LED. Une conception de PCB appropriée (vias thermiques, surface de cuivre) est essentielle pour maintenir Tj dans les limites.
• Courbe de déclassement :Un graphique montrant comment le courant direct maximal autorisé diminue à mesure que la température ambiante augmente. C'est un outil de conception critique pour garantir la fiabilité dans toutes les conditions de fonctionnement.

3. Explication du système de binning

Les variations de fabrication signifient que les LED ne sont pas identiques. Un système de binning catégorise les composants en fonction de paramètres clés pour assurer la cohérence au sein d'un lot de production.

• Binning par longueur d'onde / longueur d'onde pic :Les LED sont triées en bins en fonction de leur longueur d'onde pic réelle, par exemple, 935-945nm, 940-950nm. Cela garantit la cohérence de couleur pour l'application.
• Binning par intensité rayonnante / flux :Les composants sont regroupés par leur puissance lumineuse mesurée. Par exemple, les bins peuvent être définis comme des valeurs Min/ Typ/ Max d'intensité rayonnante à un courant de test spécifique.
• Binning par tension directe :Les LED sont triées par leur Vf à un courant de test. Cela aide à concevoir des circuits plus uniformes, en particulier lorsque plusieurs LED sont connectées en série.

Les concepteurs doivent spécifier les bins requis lors de la commande pour garantir les performances nécessaires à leur application.

4. Analyse des courbes de performance

Les données graphiques fournissent une compréhension plus approfondie que les spécifications ponctuelles.

4.1 Courbe Courant vs. Tension (I-V)

Cette courbe montre la relation entre la tension directe et le courant direct. Elle est non linéaire, présentant une tension de "genou" (typiquement ~1,2V pour les LED IR) au-dessus de laquelle le courant augmente rapidement avec de petites augmentations de tension. Cela souligne l'importance du contrôle du courant, et non du contrôle de la tension, pour piloter les LED.

4.2 Caractéristiques en fonction de la température

Les graphiques clés incluent :

• Tension directe vs. Température de jonction :Vf a un coefficient de température négatif, ce qui signifie qu'elle diminue lorsque la température augmente. Cela peut être utilisé pour la détection de température.
• Intensité rayonnante vs. Température de jonction :La puissance lumineuse diminue généralement lorsque la température augmente. La pente de cette courbe indique la stabilité thermique de la sortie.
• Intensité relative vs. Courant direct :Montre comment la puissance lumineuse évolue avec le courant de pilotage, généralement selon une relation linéaire ou légèrement sous-linéaire jusqu'à ce que les effets thermiques dominent.

4.3 Distribution spectrale

Un graphique traçant l'intensité relative en fonction de la longueur d'onde. Pour une LED 940nm, cette courbe serait centrée autour de 940nm avec une FWHM typique de 40-50nm. La forme et la largeur de cette courbe affectent la façon dont la lumière interagit avec les filtres et les détecteurs.

5. Informations mécaniques et de conditionnement

Le PDF mentionne des termes de conditionnement mais manque d'un dessin dimensionnel.

• Type de boîtier :Les boîtiers courants pour les LED IR incluent les modèles à broches radiales 3mm, 5mm, et les boîtiers CMS (composants montés en surface) comme 0805, 1206, ou des boîtiers IR spécialisés.
• Dimensions :Un dessin mécanique détaillé spécifierait la longueur, la largeur, la hauteur, le diamètre/espacement des broches (pour les traversants) ou les dimensions des pastilles (pour les CMS).
• Conception des pastilles / empreinte :Pour les composants CMS, l'empreinte PCB recommandée (taille, forme et espacement des pastilles) est cruciale pour une soudure fiable et une résistance mécanique.
• Identification de la polarité :Les LED sont des diodes et doivent être connectées avec la polarité correcte. L'identification se fait généralement via un bord plat sur la lentille, une broche d'anode plus longue ou une marque de cathode sur le corps du boîtier CMS.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

Une manipulation appropriée garantit la fiabilité.

• Profil de soudure par refusion :Pour les composants CMS, un profil temps-température spécifiant le préchauffage, le maintien, la température pic de refusion (typiquement 260°C max pendant quelques secondes) et les taux de refroidissement doit être suivi.
• Soudure manuelle :Le cas échéant, des recommandations pour la température du fer (<350°C) et le temps de soudure maximum par broche (par exemple, 3 secondes) sont fournies pour éviter les dommages thermiques à la lentille en époxy ou au semi-conducteur.
• Précautions contre les décharges électrostatiques (ESD) :Les LED sont sensibles aux décharges électrostatiques. La manipulation doit avoir lieu sur des postes de travail protégés contre les ESD en utilisant un équipement mis à la terre. La mention d'un "sac antistatique" dans le PDF souligne cette exigence.
• Conditions de stockage :Les composants doivent être stockés dans un environnement sec et contrôlé (par exemple, <40°C/40% HR) pour éviter l'absorption d'humidité, qui peut provoquer l'effet "pop-corn" pendant la refusion.

7. Informations de conditionnement et de commande

L'extrait PDF liste plusieurs niveaux de conditionnement.

• Sac antistatique :La barrière primaire contre l'humidité et les ESD pour les composants en vrac ou les bobines.
• Carton intérieur :Contient plusieurs sacs antistatiques ou bobines.
• Carton extérieur :Le carton d'expédition principal contenant plusieurs cartons intérieurs.
• Quantité par conditionnement :La quantité standard par bobine (par exemple, 1000 pièces), par sac ou par carton.
• Étiquetage :Les étiquettes doivent inclure le numéro de pièce, la quantité, le code date, le numéro de lot et le niveau de sensibilité ESD/humidité (MSL).
• Règle de numérotation des modèles :Un numéro de pièce complet encode typiquement des attributs clés comme le type de boîtier, le bin de longueur d'onde, le bin d'intensité et le bin de tension directe.

8. Recommandations d'application

8.1 Scénarios d'application typiques

• Télécommandes infrarouges :Pour téléviseurs, décodeurs, systèmes audio. La longueur d'onde 940nm est la norme de l'industrie.
• Capteurs de proximité et de présence :Utilisés dans les smartphones (pour désactiver les écrans tactiles pendant les appels), les robinets automatiques, les distributeurs de savon.
• Détection et comptage d'objets :Dans l'automatisation industrielle, les distributeurs automatiques et les barrières de sécurité.
• Transmission de données optique :Pour les liaisons de données à courte portée et bas débit (IrDA était une norme courante).
• Éclairage pour vision nocturne :Couplé avec des caméras sensibles à l'IR pour la surveillance dans des conditions de faible luminosité.

8.2 Considérations de conception

• Circuit de pilotage :Toujours utiliser une résistance de limitation de courant en série ou un pilote à courant constant. Calculer la valeur de la résistance en utilisant R = (Tension d'alimentation - Vf) / If.
• Conception du PCB :Prévoir une surface de cuivre adéquate ou des vias thermiques sous la pastille thermique de la LED (si CMS) pour dissiper la chaleur.
• Conception optique :Considérer l'utilisation de lentilles ou d'ouvertures pour façonner le faisceau. L'angle de vision de la LED doit correspondre au champ de vision du détecteur.
• Filtrage :Utiliser un filtre passe-IR sur le détecteur pour bloquer la lumière visible et améliorer le rapport signal/bruit.
• Modulation :Pour les applications de détection, moduler le signal IR (par exemple, à 38kHz) et utiliser un détecteur synchronisé peut rejeter efficacement les interférences de la lumière ambiante.

9. Comparaison technique

Comparé à d'autres sources IR :

• vs. LED IR 850nm :Les LED 850nm ont souvent une faible lueur rouge et sont plus sensibles aux interférences solaires mais peuvent offrir une intensité rayonnante légèrement plus élevée pour le même courant de pilotage en raison de l'efficacité du matériau. Le 940nm est préféré pour les opérations discrètes et un meilleur rejet de la lumière solaire.
• vs. Diodes laser :Les lasers fournissent un faisceau cohérent et étroit idéal pour la détection longue portée ou de précision mais sont plus chers, nécessitent des mesures de pilotage et de sécurité plus complexes et ont un spectre d'émission plus étroit.
• vs. Sources IR à incandescence :Les sources à filament émettent un IR à large spectre mais sont inefficaces, lentes, fragiles et génèrent une chaleur importante.

La LED 940nm offre un équilibre optimal entre coût, efficacité, fiabilité et performance pour les applications grand public et industrielles grand public.

10. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Pourquoi ma LED 940nm n'est-elle pas visible ?

R : La sensibilité de l'œil humain chute brutalement au-delà d'environ 750nm. Le 940nm est loin dans le spectre infrarouge et est essentiellement invisible, ce qui est une caractéristique clé pour de nombreuses applications.

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

R : Non. Vous devez toujours utiliser une résistance de limitation de courant en série. Une broche GPIO d'un microcontrôleur ne peut pas fournir un courant stable et peut être endommagée par la faible tension directe de la LED, ce qui pourrait créer une condition proche du court-circuit.

Q : Comment déterminer la valeur de résistance optimale ?

R : Utilisez la loi d'Ohm : R = (Vs - Vf) / If. Par exemple, avec Vs=5V, Vf=1,4V (typique), et If=20mA : R = (5 - 1,4) / 0,02 = 180 Ohms. Utilisez la valeur standard suivante (par exemple, 180Ω ou 220Ω).

Q : Quel est le but du "sac antistatique" mentionné ?

R : Il protège la LED contre les décharges électrostatiques (ESD) pendant le stockage et le transport, ce qui peut endommager la jonction semi-conductrice sensible même si le dommage n'est pas immédiatement visible.

Q : La température ambiante affecte-t-elle les performances ?

R : Oui, de manière significative. L'intensité rayonnante diminue lorsque la température augmente, et la tension directe diminue. Pour les applications critiques, consultez les courbes de déclassement et concevez la gestion thermique en conséquence.

11. Cas d'utilisation pratiques

Étude de cas 1 : Capteur de proximité de smartphone

Une LED 940nm est placée près de l'écouteur. Lorsqu'un appel est actif, la LED émet une brève impulsion. Un photodétecteur à proximité mesure la lumière réfléchie. Si un objet (comme l'oreille de l'utilisateur) est proche, le signal réfléchi est fort, et l'écran tactile est désactivé pour éviter les entrées accidentelles. La longueur d'onde 940nm garantit qu'aucune lueur visible n'est vue pendant l'appel.

Étude de cas 2 : Compteur d'objets sur convoyeur industriel

Une LED IR et un détecteur sont montés sur les côtés opposés d'un tapis roulant, créant un faisceau. Lorsqu'un objet passe à travers, il interrompt le faisceau, déclenchant un compteur. L'utilisation d'un signal modulé à 940nm aide le système à ignorer le rayonnement IR constant des objets chauds ou des machines sur le sol de l'usine.

12. Principe de fonctionnement

Une LED infrarouge est une diode à jonction p-n semi-conductrice. Lorsqu'elle est polarisée en direct (tension positive appliquée au côté p, anode), les électrons de la région n sont injectés à travers la jonction dans la région p, et les trous de la région p sont injectés dans la région n. Ces porteurs minoritaires se recombinent avec les porteurs majoritaires dans les régions opposées. Dans un matériau semi-conducteur à bande interdite directe comme l'Arséniure de Gallium (GaAs) ou l'Arséniure d'Aluminium Gallium (AlGaAs), couramment utilisé pour les LED IR, cet événement de recombinaison libère de l'énergie sous forme de photon (particule de lumière). La longueur d'onde (couleur) du photon émis est déterminée par l'énergie de la bande interdite (Eg) du matériau semi-conducteur, selon l'équation λ ≈ 1240 / Eg (eV), où λ est en nanomètres. Pour une longueur d'onde de 940nm, l'énergie de la bande interdite est d'environ 1,32 eV. La composition spécifique du matériau (par exemple, AlGaAs) est conçue pour atteindre cette bande interdite précise.

13. Tendances technologiques

Le développement des LED IR suit plusieurs tendances clés motivées par les demandes des applications :

• Augmentation de la puissance et de l'efficacité :Les améliorations continues en science des matériaux et en conception de puces produisent une intensité rayonnante et une efficacité énergétique (puissance optique sortie / puissance électrique entrée) plus élevées, permettant une portée plus longue ou une consommation d'énergie plus faible.
• Miniaturisation :Les tailles des boîtiers continuent de diminuer (par exemple, les boîtiers à l'échelle de la puce) pour s'adapter à des appareils grand public de plus en plus petits comme les wearables et les smartphones ultra-fins.
• Solutions intégrées :Il y a une tendance vers des modules qui combinent la LED, le pilote, le photodétecteur et parfois même un microcontrôleur dans un seul boîtier, simplifiant la conception pour les utilisateurs finaux (par exemple, des modules complets de capteur de proximité).
• Expansion vers de nouveaux spectres :Alors que le 850nm et le 940nm dominent, il y a un intérêt croissant pour d'autres longueurs d'onde IR pour des applications spécialisées, telles que la détection de gaz (utilisant des raies d'absorption spécifiques) ou l'imagerie améliorée des tissus biologiques.
• Amélioration de la gestion thermique :Les nouvelles conceptions de boîtiers avec une résistance thermique plus faible permettent des courants de pilotage plus élevés et une sortie soutenue dans des environnements exigeants.

Ces tendances visent à rendre la détection IR plus fiable, compacte, économe en énergie et accessible pour une gamme plus large d'applications, du LiDAR automobile et de l'authentification biométrique à la surveillance environnementale avancée.