Les LED IR de type CHIP, les composants fondamentaux de la détection optique

Presque chaque capteur électronique qui « voit » quelque chose — un détecteur de présence dans un bâtiment intelligent, un scanner de codes-barres sur un colis, un aspirateur robot évitant une chaise, le récepteur IR derrière l'écran de votre téléviseur, ou un capteur photoélectrique surveillant des pièces sur un convoyeur — repose sur la lumière. Et pour la grande majorité, il s'agit d'une lumière que la plupart d'entre nous ne voient jamais. Comprendre la détection optique moderne ne commence pas par le boîtier ou le microcontrôleur, mais par le spectre lui-même — et une petite famille de composants qui apportent une tranche utile de ce spectre sur un circuit imprimé.

Comment se décompose le spectre lumineux ?

La lumière est un rayonnement électromagnétique, classifié selon sa longueur d'onde — la distance entre deux crêtes successives de l'onde, mesurée en nanomètres (nm, milliardièmes de mètre). Le spectre complet s'étend des rayons gamma à l'extrémité la plus courte jusqu'aux ondes radio à l'extrémité la plus longue. La tranche qui compte pour la détection optique se situe dans trois bandes adjacentes.

• Ultraviolet (UV), environ 10 à 400 nm. Longueur d'onde plus courte, photons plus énergétiques. L'UV est utilisé pour stériliser l'eau potable, polymériser les adhésifs, authentifier les billets de banque, et dans les applications de détection pour la détection de fluorescence sur les lignes pharmaceutiques et d'emballage, où certaines encres et étiquettes émettent de la lumière visible sous illumination UV.
• Lumière visible, environ 380 à 780 nm. La bande étroite que l'œil humain a évolué pour utiliser, du violet au rouge profond en passant par le vert. Elle alimente les LED indicatrices, les écrans, et tout capteur dont le faisceau doit être visible par un technicien pour l'alignement. Le rouge visible intense autour de 660 nm est la référence.
• Infrarouge (IR), au-delà de 780 nm. Invisible pour les humains. Tout objet plus chaud que le zéro absolu émet de l'IR — c'est pourquoi les caméras thermiques peuvent « voir » les personnes dans le noir. Pour la détection optique, l'essentiel est que l'IR peut être produit à faible coût avec des semi-conducteurs et détecté à faible coût avec du silicium, sans perturber l'environnement.

Pourquoi l'infrarouge ?

La bande infrarouge a été découverte en 1800 par Sir William Herschel, un astronome plus connu pour la découverte d'Uranus. En étudiant la lumière solaire à travers un prisme en verre, Herschel plaça un thermomètre dans chaque bande de couleur et remarqua que la température continuait d'augmenter à mesure qu'il dépassait l'extrémité rouge dans une région apparemment vide. Le thermomètre dans cette zone vide montait plus haut que dans n'importe quelle bande visible. Herschel avait détecté de la lumière qu'il ne pouvait pas voir. Il l'appela « rayons calorifiques » ; le terme infrarouge, du latin « en dessous du rouge », vint plus tard.

Deux siècles plus tard, la bande sur laquelle Herschel tomba par hasard alimente une discrète majorité de l'électronique optique moderne. La raison est simple : les photodiodes en silicium — les détecteurs bon marché, produits en masse, au cœur de chaque caméra et de la plupart des capteurs — atteignent leur sensibilité maximale autour de 850 à 950 nm. Deux longueurs d'onde spécifiques dominent les designs industriels actuels : 850 nm, légèrement moins cher à fabriquer, et 940 nm, totalement invisible et bénéficiant d'un léger creux dans le spectre solaire qui améliore le rejet de la lumière ambiante.

Où les LED IR sont-elles utilisées ?

Capteurs photoélectriques en automatisation industrielle

Le marché de loin le plus important pour les LED IR industrielles est le capteur photoélectrique : de petits dispositifs cylindriques, généralement avec des connecteurs M12, qui surveillent chaque convoyeur et chaque cellule robotique sur un plancher d'usine moderne. Ils détectent les pièces, comptent les cycles, vérifient la présence et déclenchent des actions. La plupart fonctionnent à 940 nm, selon l'une des trois topologies optiques classiques : faisceau traversant, rétroréfléchissant ou diffus.

Barrières lumineuses et détection d'objets

Une barrière lumineuse est un réseau vertical de faisceaux émetteur-récepteur IR appariés, empilés les uns au-dessus des autres. Lorsqu'un objet traverse la barrière — par exemple une boîte se déplaçant sur un convoyeur — le réseau rapporte en continu quels faisceaux sont obstrués et lesquels restent libres, donnant au contrôleur une silhouette en temps réel de la hauteur, de la position et du bord avant de l'objet. Ces systèmes s'appuient sur des émetteurs à faible angle et haute intensité associés à des récepteurs à faible angle étroitement appariés, déclenchés dans une séquence modulée rapide pour éviter les interférences entre faisceaux adjacents et rejeter la lumière ambiante.

Télécommandes et liaisons de données IR

La LED IR au bout de chaque télécommande de téléviseur transmet un train d'impulsions numériques modulé à 38 kHz à 940 nm ; une photodiode assortie derrière la fenêtre IR du téléviseur le reçoit.

Émetteur et récepteur : la paire de base

Chaque capteur optique des catégories ci-dessus se réduit à deux semi-conducteurs ayant une conversation en lumière.

• L'émetteur est une LED IR. Faites passer du courant dans le bon sens et elle émet de l'IR invisible, typiquement à 850 nm ou 940 nm. La lumière part dans le monde, se réfléchit, se diffuse ou ne revient pas du tout.
• Le récepteur, parfois appelé photodétecteur, est l'inverse : un semi-conducteur qui convertit l'IR entrant en signal électrique. Il se présente en deux options.
  • Une photodiode (PD) génère un faible courant, typiquement des microampères, proportionnel à la lumière IR qui la frappe. Son grand avantage est la vitesse : elle répond en nanosecondes et convient aux applications ToF (Time-of-Flight). L'inconvénient est que les signaux en microampères nécessitent normalement un amplificateur opérationnel externe sur le circuit imprimé.
  • Un phototransistor (PT) est le même principe avec un étage amplificateur intégré. La sortie est beaucoup plus grande — des milliampères plutôt que des microampères. L'inconvénient est la vitesse de réponse : les PT fonctionnent en microsecondes, ce qui convient à la détection de type interrupteur mais pas au ToF ou aux systèmes modulés rapides.

Le portefeuille Edison CHIP IR LED en détail

Chaque conception de LED CHIP commence donc par deux choix : quelle longueur d'onde transmettre et quel type de récepteur y associer.

Le guide de sélection CHIP LED d'Edison Opto organise chaque composant IR selon cinq axes : le type (émetteur ou récepteur), la taille du boîtier, la direction d'émission, la longueur d'onde et l'angle de vision. Lire ces cinq colonnes équivaut à spécifier un composant pour la conception d'un capteur.

• Taille du boîtier: Les boîtiers plus grands dissipent mieux la chaleur, tolèrent des courants de commande plus élevés et produisent plus de puissance optique — au détriment de la surface de la carte. Pour la plupart des PCB de capteurs industriels, le 3216 est devenu le choix de référence — suffisamment grand pour les courants typiques des photoélectriques, suffisamment petit pour s'adapter dans un boîtier de capteur M12.
• Direction d'émission: Le même chip peut être conditionné de façon à ce que sa surface émettrice soit orientée dans trois directions différentes. Top View émet perpendiculairement à la carte (par défaut). Side View fait pivoter la LED de 90° pour que la lumière sorte parallèlement à la surface de la carte — utile dans les modules fins où le chemin optique longe le bord du PCB. Reverse Mount conditionne la LED à l'envers à travers une découpe dans le PCB, émettant vers le bas à travers la carte — pour les assemblages ultra-compacts où le chemin optique se trouve sous la carte.
• Longueur d'onde: 850 nm est moins cher et légèrement plus efficace, mais visible comme une faible lueur rouge dans certaines conditions. 940 nm est totalement invisible et rejette mieux la lumière solaire ambiante grâce à ce léger creux dans le spectre solaire. La plupart des capteurs photoélectriques industriels modernes préfèrent le 940 nm.
• Angle de vision: 20° est un faisceau étroit et focalisé, avec la majeure partie de l'énergie lumineuse concentrée sur l'axe pour une portée maximale — comme une lampe de poche. 120° est large, comme une bougie, avec la lumière répartie sur un large cône pour un alignement facile dans les applications à courte portée. Le même chip émet le même flux total dans les deux cas ; ce qui change, c'est la distribution.

La gamme d'émetteurs à 940 nm

Émetteurs IR CHIP à 940 nm, tous avec une tension directe de 1,2 à 1,5 V et une plage de fonctionnement industrielle de −40 à +85 °C :

Les récepteurs assortis : phototransistors et photodiodes

Les récepteurs assortis dans les mêmes tailles de boîtier que les émetteurs sont répertoriés ci-dessous.

Phototransistors :

La plage de longueur d'onde des récepteurs est de 700 à 1100 nm, de sorte qu'un seul détecteur en silicium couvre à la fois 850 et 940 nm — un composant récepteur peut être associé à l'une ou l'autre longueur d'onde d'émetteur.

Photodiodes :

Le rôle de Telcona

Les LED IR CHIP d'Edison Opto sont des composants simples pris isolément, mais les choix qui les entourent — longueur d'onde, boîtier, direction d'émission, angle de vision et le récepteur assorti — déterminent si un capteur fonctionne sous un éclairage d'atelier faible ou échoue en plein soleil, maintient un alignement au millimètre après mille impulsions et survit dix ans dans l'air d'une usine.

Telcona, en tant que partenaire européen agréé de distribution et d'ingénierie d'Edison, prend le catalogue de Taipei et le transforme en lignes de nomenclature spécifiées, échantillonnées et suivies pour les clients européens de capteurs — avec des prix adaptés aux volumes, une priorité d'allocation soutenue par 40 ans de relations fournisseurs, et un support d'ingénierie depuis le Centre Technologique de Telcona à Belgrade.

👉 Pour des échantillons gratuits des émetteurs et récepteurs IR CHIP d'Edison, un support de sélection personnalisé ou une analyse complète de nomenclature pour votre prochain programme de capteurs optiques, veuillez contacter Telcona, votre partenaire de confiance pour les composants électroniques haute performance.