Fiche technique de la LED infrarouge subminiature ronde 1,8mm IR42-21C/TR8 - Diamètre 1,8mm - Tension 1,2V - Puissance 130mW - Lentille transparente - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

L'IR42-21C/TR8 est une diode électroluminescente infrarouge subminiature et à montage en surface, conçue pour des applications optoélectroniques compactes. Elle présente un boîtier rond de 1,8mm de diamètre moulé dans une résine plastique transparente avec une lentille sphérique supérieure, optimisant le flux lumineux. Le composant utilise un matériau de puce en Arseniure de Gallium-Aluminium (GaAlAs), qui est spectralement adapté aux photodiodes et phototransistors au silicium, garantissant une détection efficace dans les systèmes de capteurs. Ses principaux objectifs de conception sont la miniaturisation, la compatibilité avec les processus d'assemblage automatisés et des performances fiables dans une gamme d'appareils électroniques grand public et industriels.

1.1 Avantages principaux et marché cible

Cette LED offre plusieurs avantages clés pour les concepteurs. Sa faible tension directe (typiquement 1,2V) contribue à un fonctionnement économe en énergie. Le composant est entièrement conforme aux réglementations sans plomb (Pb-free), RoHS, REACH de l'UE et sans halogène (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500ppm), le rendant adapté aux marchés mondiaux avec des normes environnementales strictes. Il est compatible avec les processus de soudage par refusion infrarouge et à phase vapeur, facilitant l'assemblage automatisé de cartes PCB en grande série. Les marchés cibles principaux incluent les fabricants de capteurs infrarouges compacts, de barrières lumineuses miniatures pour l'automatisation, de lecteurs de disquettes (pour systèmes hérités ou spécialisés), d'interrupteurs optoélectroniques à usage général et de systèmes de détection de fumée nécessitant une source IR invisible.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Les performances de l'IR42-21C/TR8 sont définies par un ensemble de valeurs maximales absolues et de caractéristiques électro-optiques mesurées à une température ambiante standard (Ta) de 25°C. La compréhension de ces paramètres est cruciale pour une conception de circuit fiable et pour garantir que la LED fonctionne dans sa zone de fonctionnement sûre (SOA).

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au composant peuvent survenir. Elles ne doivent jamais être dépassées, même momentanément. Le courant direct continu (IF) est nominalement de 65 mA. La tension inverse maximale admissible (VR) est de 5 V. Le composant peut fonctionner dans une plage de température ambiante (Topr) de -25°C à +85°C et être stocké (Tstg) entre -40°C et +85°C. La température de soudure (Tsol) ne doit pas dépasser 260°C pendant une durée de 5 secondes ou moins lors des processus de refusion. La dissipation de puissance totale (Pd) à une température d'air libre de 25°C ou moins est de 130 mW. Dépasser l'une de ces limites risque d'entraîner une défaillance catastrophique ou une dégradation accélérée.

2.2 Caractéristiques électro-optiques

Ces paramètres, généralement mesurés à un courant direct (IF) de 20 mA, définissent les performances fonctionnelles du composant. L'intensité rayonnante (Ie), une mesure de la puissance optique émise par angle solide, a une valeur minimale de 1,0 mW/sr et une valeur typique de 3,0 mW/sr. La longueur d'onde pic (λp) est typiquement de 940 nm, la plaçant fermement dans le spectre du proche infrarouge, idéal pour les détecteurs au silicium. La largeur de bande spectrale (Δλ) est typiquement de 45 nm, définissant la gamme de longueurs d'onde émises. La tension directe (VF) a une valeur typique de 1,2 V et un maximum de 1,5 V à 20 mA. Le courant inverse (IR) est au maximum de 10 µA lorsqu'une polarisation inverse de 5 V est appliquée. L'angle de vision (2θ1/2), défini comme l'angle total pour lequel l'intensité rayonnante chute à la moitié de sa valeur pic, est typiquement de 30 degrés, fournissant un faisceau modérément focalisé.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui illustrent comment les paramètres clés varient avec les conditions de fonctionnement. Ces graphiques sont essentiels pour comprendre le comportement en conditions réelles au-delà des spécifications ponctuelles à 25°C.

3.1 Courant direct vs Température ambiante

Cette courbe montre la relation entre le courant direct continu admissible et la température ambiante. Lorsque la température ambiante augmente, le courant direct maximal autorisé diminue linéairement. Cette déclassement est nécessaire pour empêcher la température de jonction de dépasser sa limite, qui est liée à la puissance de dissipation nominale. Les concepteurs doivent utiliser ce graphique pour sélectionner un courant de fonctionnement approprié pour la température ambiante maximale attendue de leur application.

3.2 Distribution spectrale

La courbe de distribution spectrale trace l'intensité rayonnante relative en fonction de la longueur d'onde. Elle confirme visuellement la longueur d'onde pic de 940 nm et la largeur de bande spectrale d'environ 45 nm. La courbe est asymétrique, ce qui est typique pour les spectres d'émission des LED. Cette information est cruciale pour les applications nécessitant un appariement spectral spécifique avec la courbe de réponse d'un photodétecteur.

3.3 Courant direct vs Tension directe

Cette courbe caractéristique IV (Courant-Tension) est non linéaire, comme pour toutes les diodes. Elle montre qu'une faible augmentation de la tension directe au-delà de la tension de "coude" entraîne une augmentation exponentielle importante du courant direct. Cela souligne l'importance critique d'utiliser une résistance série limitant le courant ou un pilote à courant constant pour éviter l'emballement thermique et la destruction de la LED par un courant excessif.

3.4 Intensité rayonnante relative vs Déplacement angulaire

Ce diagramme polaire illustre le modèle d'émission spatiale de la LED. L'intensité est normalisée à sa valeur maximale à 0 degré (sur l'axe). La courbe montre comment l'intensité diminue à mesure que l'angle d'observation augmente, définissant l'angle de vision de 30 degrés où l'intensité est à 50% du pic. Le modèle est généralement lambertien (de type cosinus) pour ce boîtier en forme de dôme, ce qui est utile pour calculer l'éclairement sur un détecteur.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

4.1 Dimensions du boîtier

Le composant est logé dans un boîtier CMS rond et compact d'un diamètre de 1,8mm. Des dessins mécaniques détaillés dans la fiche technique fournissent toutes les dimensions critiques, y compris la hauteur du corps, l'espacement des broches et la géométrie de la lentille. Toutes les dimensions sont en millimètres, avec des tolérances standard de ±0,1mm sauf indication contraire. Un modèle de pastille recommandé est fourni pour la conception PCB, mais il est explicitement noté qu'il est donné à titre indicatif uniquement et doit être modifié en fonction des exigences de processus individuelles et des besoins de gestion thermique.

4.2 Identification de la polarité et conditionnement en bande

Le boîtier présente un côté plat ou un marquage similaire pour indiquer la broche cathode (négative), ce qui est essentiel pour une orientation correcte lors de l'assemblage. Pour la production en grande série, les composants sont fournis sur des bobines de bande porteuse. La fiche technique inclut les dimensions de la bande porteuse, spécifiant la taille des alvéoles, le pas et le diamètre de la bobine. Une bobine standard contient 1000 pièces, ce qui est typique pour les machines de placement automatique.

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

Une manipulation et un soudage appropriés sont vitaux pour la fiabilité. La LED est sensible à l'humidité et est livrée dans un sac barrière à l'humidité avec un dessiccant.

5.1 Stockage et sensibilité à l'humidité

Avant d'ouvrir le sac scellé, les LED doivent être stockées à 30°C ou moins et à 90% d'Humidité Relative (HR) ou moins. La durée de conservation est d'un an. Après ouverture du sac, les composants doivent être conservés à 30°C/60%HR ou moins et doivent être utilisés dans les 168 heures (7 jours). Si le temps de stockage est dépassé ou si le dessiccant indique une entrée d'humidité, un traitement de séchage à 60 ± 5°C pendant 24 heures est requis avant utilisation pour éliminer l'humidité absorbée et éviter l'effet "pop-corn" pendant le soudage par refusion.

5.2 Paramètres de soudage par refusion

Le composant est compatible avec les profils de soudage par refusion sans plomb (Pb-free). Un profil de température spécifique est recommandé, impliquant typiquement une étape de préchauffage, une zone de stabilisation, une zone de température pic ne dépassant pas 260°C pendant un maximum de 5 secondes, et une étape de refroidissement contrôlé. Le soudage par refusion ne doit pas être effectué plus de deux fois. Pendant le chauffage, aucune contrainte mécanique ne doit être appliquée sur le corps de la LED ou ses broches, et la carte PCB ne doit pas être déformée après soudage.

5.3 Soudage manuel et retouche

Si le soudage manuel est inévitable, une extrême prudence est de mise. La température de la panne du fer à souder doit être inférieure à 350°C, et le temps de contact avec chaque borne doit être limité à 3 secondes ou moins. Un fer de faible puissance (25W ou moins) est recommandé. Une pause d'au moins 2 secondes doit être observée entre le soudage de chaque broche. La retouche après un soudage initial est fortement déconseillée. Si absolument nécessaire, un fer à souder à double tête spécialisé doit être utilisé pour chauffer simultanément les deux broches et soulever le composant sans stresser le boîtier. Le risque d'endommagement pendant la retouche est élevé.

6. Suggestions d'application et considérations de conception

6.1 Circuits d'application typiques

Le circuit d'application le plus fondamental est une simple connexion en série de la LED, d'une résistance limitant le courant et d'une source de tension. La valeur de la résistance (R) est calculée en utilisant la Loi d'Ohm : R = (V_source - VF_LED) / IF. Par exemple, avec une source de 5V, une VF de 1,2V et un IF souhaité de 20mA, R = (5 - 1,2) / 0,02 = 190 Ohms. Une résistance de 200 Ohms serait une valeur standard appropriée. Pour un fonctionnement plus stable, notamment avec une tension d'alimentation variable, un circuit pilote à courant constant est préférable.

6.2 Considérations de conception pour les systèmes infrarouges

Lors de la conception d'un système de détection infrarouge, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. L'alignement optique entre la LED IR et le photodétecteur est critique, surtout avec un faisceau de 30 degrés. Le rejet de la lumière ambiante est souvent nécessaire ; cela peut être réalisé en modulant le courant de commande de la LED et en utilisant un circuit détecteur synchronisé pour filtrer la lumière ambiante continue. L'intensité rayonnante et la sensibilité du détecteur doivent être adaptées à la distance de détection requise. La gestion thermique doit être envisagée si le fonctionnement est proche des valeurs maximales, car une température de jonction accrue réduit le flux lumineux et la durée de vie.

7. Comparaison et différenciation technique

Comparée aux LED IR traversantes plus grandes, le principal avantage de l'IR42-21C/TR8 est son empreinte CMS miniature, permettant des conceptions de PCB plus petites, plus légères et plus automatisées. Comparée à d'autres LED IR CMS, ses principaux points de différenciation sont sa taille spécifique de boîtier rond de 1,8mm, sa longueur d'onde pic de 940nm optimisée pour les détecteurs au silicium, et sa conformité aux dernières réglementations environnementales (Sans Halogène, REACH). La lentille transparente, par opposition à une lentille teintée ou diffusante, maximise la transmission de la lumière infrarouge, produisant une intensité rayonnante plus élevée pour une entrée électrique donnée.

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

Q : Pourquoi une résistance limitant le courant est-elle absolument nécessaire ?

A : La courbe IV montre la relation exponentielle entre la tension et le courant de la LED. Une légère augmentation de la tension d'alimentation ou une baisse de la tension directe de la LED (due à la température) peut provoquer une augmentation massive et incontrôlée du courant, entraînant une destruction immédiate. La résistance fournit une impédance linéaire stabilisatrice.

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

A : Possible, mais pas de manière optimale. Avec une VF de 1,2V, une résistance série serait nécessaire. Le courant disponible sur une broche GPIO est souvent limité (par ex. 20-25mA). Vous devez vous assurer que le courant total consommé, incluant le calcul de la résistance (R = (3,3V - 1,2V) / I_souhaité), ne dépasse pas la capacité de fourniture de courant de la GPIO. Pour des courants plus élevés ou plusieurs LED, un pilote à transistor est requis.

Q : Que signifie "spectralement adapté aux photodétecteurs au Si" ?

A : Les photodiodes et phototransistors au silicium ont une sensibilité pic dans la région du proche infrarouge, autour de 800-900nm. L'émission pic de cette LED à 940nm se situe dans cette zone de haute réponse, garantissant un transfert de signal maximal de la source lumineuse au détecteur, résultant en un meilleur rapport signal/bruit et une meilleure portée du système.

Q : Quelle est l'importance critique des instructions de sensibilité à l'humidité et de séchage ?

A : Extrêmement critique pour les composants CMS. L'humidité absorbée peut se vaporiser rapidement pendant le processus de soudage par refusion à haute température, provoquant un délaminage interne, des fissures ou un effet "pop-corn" qui détruit le composant. Suivre les procédures de manipulation du Niveau de Sensibilité à l'Humidité (MSL) est essentiel pour le rendement de production et la fiabilité à long terme.

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

Scénario : Conception d'un capteur de détection d'objet compact.Un concepteur doit créer un capteur de détection d'objet sans contact pour un petit appareil automatisé. L'espace est limité, nécessitant un composant CMS. Il sélectionne l'IR42-21C/TR8 pour sa petite taille. Il l'associe à un phototransistor dans une configuration rétro-réfléchissante : les deux composants sont placés côte à côte sur la même carte PCB, faisant face à la même direction. Un objet passant devant réfléchit le faisceau IR vers le phototransistor. Le concepteur utilise l'intensité rayonnante typique (3,0 mW/sr) et la sensibilité du phototransistor pour calculer le courant requis pour la distance de détection souhaitée de 10cm. Il implémente un simple circuit à base de temporisateur 555 pour pulser la LED à 1kHz, et le circuit détecteur inclut un filtre passe-bande accordé à 1kHz pour rejeter le scintillement de la lumière ambiante à 50/60Hz et la lumière solaire continue. La résistance limitant le courant est choisie pour fournir un courant de commande de 15mA, bien dans les limites nominales de la LED, pour assurer sa longévité. Le boîtier CMS compact permet à l'ensemble du capteur de tenir dans un boîtier de moins de 15mm de large.

10. Principe de fonctionnement et tendances technologiques

10.1 Principe de fonctionnement

Une Diode Électroluminescente Infrarouge (LED IR) fonctionne sur le principe de l'électroluminescence dans une jonction p-n semi-conductrice. Lorsqu'une tension directe est appliquée, des électrons de la région de type n et des trous de la région de type p sont injectés à travers la jonction. Lorsque ces porteurs de charge se recombinent dans la région active (la puce GaAlAs dans ce cas), de l'énergie est libérée sous forme de photons (lumière). La largeur de bande interdite spécifique du matériau semi-conducteur GaAlAs détermine la longueur d'onde des photons émis, qui est dans le spectre infrarouge (940nm) pour ce composant. Le boîtier en résine époxy transparente agit comme une lentille, façonnant la lumière émise selon l'angle de vision spécifié.

10.2 Tendances de l'industrie

La tendance en optoélectronique, comme dans toute l'électronique, va vers une miniaturisation accrue, une efficacité plus élevée et une plus grande intégration. Bien que le principe de base de la LED IR reste stable, des avancées sont observées dans la technologie de conditionnement (empreintes encore plus petites comme 0402 ou boîtiers à l'échelle de la puce), des matériaux épitaxiés améliorés pour une efficacité énergétique supérieure (plus de flux lumineux par watt d'entrée électrique), et l'intégration de pilotes et de logique de contrôle dans des modules LED "intelligents". Il y a également une poussée continue pour des options spectrales plus larges et des dispositifs capables de fonctionner à des vitesses de modulation plus élevées pour les applications de communication de données (comme IRDA). La conformité environnementale (Sans Halogène, fabrication à faible empreinte carbone) reste un moteur fort dans toute l'industrie.