Les 10 composants optoélectroniques incontournables

Les composants optoélectroniques permettent de générer, de détecter, de contrôler ou de convertir la lumière. Certains produisent de la lumière visible ou infrarouge, tandis que d'autres captent des signaux optiques et les convertissent en signaux électriques. Ils sont utilisés dans les systèmes de communication, l'automatisation industrielle, les équipements médicaux, les véhicules, l'électronique grand public, les écrans et les systèmes de sécurité.

Le terme “ optoélectronique ” recouvre une large gamme de composants. Deux dispositifs peuvent sembler similaires tout en présentant des structures de sortie, des vitesses de réponse, des longueurs d'onde ou des exigences de circuit très différentes. Les acheteurs doivent donc les choisir en fonction de leur fonction et des paramètres indiqués dans la fiche technique, et non pas uniquement en fonction de leur apparence ou de leur nom de catégorie.

Ce guide présente dix composants optoélectroniques courants ainsi que les caractéristiques techniques que les responsables des achats et les ingénieurs doivent vérifier avant de valider une pièce.

1. Diodes électroluminescentes (LED)

Le rôle des LED dans les circuits électroniques

Une diode électroluminescente transforme l'énergie électrique en lumière lorsque le courant traverse sa jonction semi-conductrice dans le sens direct. La longueur d'onde émise dépend principalement du matériau semi-conducteur et de la conception du dispositif.

Les LED ne se limitent pas à l'éclairage général. De petites LED de signalisation indiquent l'alimentation, l'état de fonctionnement, les alarmes et l'activité de communication. Les dispositifs à puissance plus élevée sont utilisés dans l'éclairage automobile, les équipements industriels, la détection optique, l'éclairage infrarouge et la vision industrielle.

Le Catégorie « Optoélectronique » de Duolink comprend des LED de signalisation de type 0603 et des émetteurs infrarouges destinés à différentes applications.

Types courants de LED

Les LED d'indication sont généralement utilisées pour les voyants d'état, les panneaux de commande et les ensembles électroniques compacts. Les LED haute puissance offrent un rendement optique supérieur, mais peuvent nécessiter une attention particulière en matière de gestion thermique.

Les LED infrarouges émettent une lumière située en dehors du spectre visible. Elles sont utilisées dans les télécommandes, les barrières lumineuses, la vision industrielle, la détection de proximité et les communications optiques. Les LED UV sont utilisées dans des applications de durcissement, de détection, de stérilisation, d'inspection et de fluorescence, bien que leur adéquation à ces usages dépende de la longueur d'onde et de la puissance de sortie.

Caractéristiques techniques à vérifier lors du choix des LED

Le nom de la couleur ne suffit pas à lui seul à identifier une LED. Les acheteurs doivent vérifier :

• Longueur d'onde de pic ou dominante
• Tension directe
• Courant direct recommandé
• Intensité lumineuse ou intensité rayonnante
• Angle de vision
• Dimensions du boîtier et type de montage
• Plage de températures de fonctionnement
• Polarité et configuration des broches
• Sensibilité à l'humidité et conditions de refusion des composants CMS

Pour les LED visibles, l'intensité lumineuse décrit le flux lumineux tel qu'il est perçu par l'œil humain. Les émetteurs infrarouges sont généralement évalués en termes d'intensité rayonnante ou de puissance rayonnante. Ces valeurs ne doivent pas être considérées comme interchangeables.

2. Diodes laser

Une diode laser produit un faisceau étroit et concentré de lumière cohérente. Par rapport à une LED classique, son rayonnement optique est plus directionnel et présente un spectre plus étroit.

Les diodes laser sont utilisées dans les communications par fibre optique, les lecteurs de codes-barres, les systèmes LiDAR, le stockage optique, les instruments médicaux, les systèmes d'alignement et les équipements de mesure industriels. C'est l'application qui détermine si la conception doit prévoir une sortie en onde continue, un fonctionnement pulsé, un profil de faisceau spécifique ou une rétroaction provenant d'une photodiode de contrôle.

La longueur d'onde n'est que le premier critère de sélection. L'ingénieur doit également tenir compte de la puissance de sortie optique, du courant de seuil, du courant de fonctionnement, de la tension directe, du boîtier, de la configuration de la photodiode de surveillance, de la température de fonctionnement et des exigences thermiques.

Les diodes laser sont sensibles aux décharges électrostatiques, aux surintensités et à la température. Les équipes chargées des achats doivent vérifier la référence complète du composant et la configuration du boîtier, plutôt que de se contenter de choisir un dispositif en se basant uniquement sur la longueur d'onde et la puissance nominale. Tout remplacement nécessite également l'accord du service d'ingénierie, car les caractéristiques optiques et les conditions de fonctionnement peuvent varier.

3. Photodiodes

Comment les photodiodes transforment la lumière en signaux électriques

Une photodiode est un détecteur à semi-conducteur qui génère un courant lorsque de la lumière atteint sa jonction active. L'intensité du courant correspond généralement à la puissance optique incidente dans la gamme spectrale spécifiée pour le dispositif.

Les photodiodes sont utilisées dans les communications optiques, la mesure de la lumière, les instruments médicaux, les équipements de sécurité, les codeurs, la détection infrarouge et la détection industrielle. Elles sont souvent associées à un amplificateur, car le courant généré peut être trop faible pour être traité directement.

Le circuit environnant joue un rôle important. Les conditions de polarisation, la bande passante de l'amplificateur, la capacité d'entrée, le bruit et le tracé du circuit imprimé peuvent tous influencer les performances du détecteur.

Photodiodes PIN et photodiodes à avalanche

Une photodiode PIN présente une large zone intrinsèque entre ses couches semi-conductrices. Elle est largement utilisée dans les applications nécessitant une faible capacité, une bonne linéarité et une réponse rapide.

Une photodiode à avalanche, ou APD, offre un gain interne lorsqu'elle fonctionne sous une tension de polarisation inverse plus élevée. Elle permet de détecter des signaux optiques plus faibles, mais nécessite un circuit de polarisation et de commande plus sophistiqué. Il convient de prendre en compte le bruit, le comportement en fonction de la température et la tension de claquage.

Une APD ne doit pas être considérée comme un substitut direct, offrant une sensibilité supérieure, à une photodiode PIN.

Sensibilité, courant d'obscurité et temps de réponse

La réactivité indique la puissance électrique produite par une photodiode pour un signal optique donné à une longueur d'onde spécifiée. Le courant d'obscurité est le faible courant présent en l'absence d'éclairage et qui peut affecter les mesures en faible luminosité. Le temps de réponse ou la bande passante détermine la rapidité avec laquelle le dispositif peut suivre un signal optique variable.

Les photodiodes, les phototransistors et les photorésistances ne sont pas équivalents :

Composant	Résistance typique	Limitation typique	Utilisation courante
Photodiode	Rapide et adapté aux mesures précises	Nécessite souvent une amplification	Communication et instrumentation
Phototransistor	Sensibilité intrinsèque plus élevée	Généralement plus lente qu'une photodiode	Détection et commutation
Photorésistance	Interface simple basée sur la résistance	Réponse lente et grande tolérance	Commande de base de l'éclairage

Tout composant de remplacement doit tenir compte de la topologie du circuit ainsi que des spécifications optiques.

4. Phototransistors

Un phototransistor utilise la lumière incidente pour contrôler le courant de collecteur. Son fonctionnement de type transistor offre un gain de signal supérieur à celui d'une photodiode classique, ce qui le rend particulièrement utile lorsque la sensibilité prime sur la vitesse ou la linéarité de la mesure.

Parmi les applications courantes, on peut citer la détection d'objets, les compteurs, la détection de position, les commutateurs optiques, les systèmes de sécurité et l'automatisation industrielle. Les phototransistors sont également fréquemment utilisés comme détecteurs dans les photo-interrupteurs et les optocoupleurs de base.

Par rapport à une photodiode, un phototransistor offre généralement un signal de sortie électrique plus important, mais sa réponse est plus lente. La saturation peut encore allonger son temps de coupure. Cela revêt une importance particulière dans les codeurs, les compteurs d'impulsions et les circuits de communication.

Avant tout achat, vérifiez la sensibilité spectrale, la tension collecteur-émetteur, le courant de collecteur, le courant de repos, les temps de montée et de descente, l'angle de vision, le boîtier et la température de fonctionnement. Les conditions d'essai indiquées dans la fiche technique sont importantes, car les valeurs de sensibilité et de temps de commutation ne peuvent pas être comparées de manière équitable lorsque les fabricants utilisent des courants, des charges ou des niveaux d'éclairage différents.

5. Optocoupleurs et opto-isolateurs

Comment un optocoupleur assure l'isolation électrique

Un optocoupleur comprend, dans un même boîtier, une source lumineuse d'entrée, généralement une LED, et un photodétecteur de sortie. Le chemin optique permet de transmettre un signal tout en assurant une isolation électrique entre les circuits d'entrée et de sortie.

Ces dispositifs sont utilisés dans les alimentations électriques, les variateurs de vitesse, les systèmes de commande industriels, les interfaces de communication, les circuits de rétroaction et les systèmes nécessitant un transfert de signaux entre différents domaines électriques.

Les performances d'isolation ne se limitent pas à la tension indiquée dans la désignation du produit. Les ingénieurs peuvent être amenés à évaluer la tension de service, la tension transitoire, la distance de fuite, l'espace isolant, la structure d'isolation, l'immunité aux transitoires en mode commun, ainsi que l'homologation de sécurité applicable.

Phototransistor ou optocoupleurs logiques haute vitesse ?

Un dispositif de type PC817 utilise généralement une sortie à phototransistor. Il est adapté aux applications nécessitant une commutation plus lente, à la rétroaction et aux tâches d'isolation générales où le rapport de transfert de courant est important.

Un optocoupleur de type 6N137 intègre un détecteur haute vitesse et une sortie logique. Vishay décrit sa gamme 6N137 comme un optocoupleur monocanal à 10 MBd doté d'une sortie à drain ouvert. Il est destiné à des applications telles que l'isolation des bus numériques et les interfaces de microprocesseurs. Le fabricant Informations sur le produit 6N137 montre également pourquoi il est nécessaire de vérifier la structure des résultats et les exigences logiques.

Il ne faut pas interchanger un PC817 et un 6N137 simplement parce qu'il s'agit tous deux d'optocoupleurs. Le nombre de broches, les exigences d'alimentation, la vitesse, les étages de sortie et les conditions d'utilisation de ces deux composants diffèrent.

CTR, tension d'isolement et vitesse de commutation

Dans le cas d'un optocoupleur à phototransistor, le rapport de transfert de courant (CTR) décrit la relation entre le courant de collecteur en sortie et le courant de la LED en entrée dans les conditions d'essai spécifiées. Le CTR peut varier en fonction de la classe de produit, de la température, du courant de la LED et du vieillissement du dispositif.

Le choix des optocoupleurs logiques à haute vitesse se fait le plus souvent en fonction du débit de données, du délai de propagation, de la distorsion de la largeur d’impulsion, du comportement au seuil, du type de sortie et de l’immunité aux transitoires en mode commun.

La liste de contrôle pour les achats doit inclure :

• Référence complète du fabricant et classe CTR
• Conditions de courant direct d'entrée
• Type de sortie et exigences en matière d'alimentation
• Débit de données ou exigence en matière de temps de commutation
• Indice d'isolation et homologation applicable
• Exigences en matière de lignes de fuite et de distances d'isolement
• Configuration du boîtier et des broches
• Classe de température
• Exigences relatives aux bandes, bobines, tubes ou plateaux

Duolink propose dans sa gamme optoélectronique des composants des séries PC817, LTV-817, 6N137, TLP291-4 et VO615A. La disponibilité et les suffixes exacts doivent être confirmés pour chaque demande.

6. Émetteurs et récepteurs infrarouges

Les émetteurs infrarouges génèrent une lumière généralement invisible à l'œil nu. Les récepteurs détectent le signal infrarouge et le convertissent en un signal électrique.

Ils sont utilisés dans les télécommandes, les portes automatiques, les compteurs d'objets, les capteurs de proximité, les barrières lumineuses, la détection industrielle et les communications optiques. Certains récepteurs sont de simples photodiodes ou phototransistors. D'autres intègrent des filtres, des amplificateurs et des circuits de démodulation.

La compatibilité des longueurs d'onde entre l'émetteur et le récepteur constitue l'une des premières vérifications à effectuer lors de la conception. Un émetteur de 850 nm et un récepteur optimisé pour une autre région spectrale peuvent certes présenter une certaine réponse, mais le système risque de perdre en portée de détection ou en marge de bruit. Le fait que les composants soient adaptés les uns aux autres ne garantit pas pour autant leur compatibilité spectrale.

Les acheteurs doivent comparer la longueur d'onde maximale de l'émetteur à la courbe de sensibilité spectrale du récepteur. Ils doivent également vérifier l'intensité rayonnante, l'angle optique, le courant d'excitation, la sensibilité du détecteur, le temps de réponse, la réjection de la lumière ambiante, l'orientation du boîtier et la température de fonctionnement.

Duolink’s Fiche technique de la LED infrarouge SFH 4253 présente un exemple d'émetteur à montage en surface de 860 nm. La conception complète nécessite encore un récepteur compatible et un circuit d'attaque adapté.

7. Capteurs de lumière ambiante et de proximité

Les capteurs de lumière ambiante mesurent la luminosité environnante afin qu'un contrôleur puisse régler la luminosité de l'écran, l'éclairage, la consommation d'énergie ou le fonctionnement de l'équipement. Les capteurs intégrés peuvent comporter un photodétecteur, des circuits de conditionnement du signal, un convertisseur analogique-numérique et une interface numérique.

Parmi les applications, on peut citer les smartphones, les tablettes, les écrans automobiles, l'éclairage connecté, l'électroménager, l'électronique grand public et les équipements de contrôle industriel.

Les capteurs de proximité associent souvent un émetteur et un détecteur infrarouges. Le capteur mesure la lumière réfléchie pour déterminer si un objet est présent. La conception du boîtier, la transmission de la vitre de protection, la couleur de la cible, la distance, l'alignement et l'énergie infrarouge ambiante peuvent influencer le résultat.

Parmi les paramètres de sélection importants, on peut citer la réponse spectrale, la plage de mesure, la résolution, la tension d'alimentation, l'interface, le temps de conversion, le boîtier, les fonctions d'interruption et la température de fonctionnement. Pour les dispositifs numériques, la structure des registres et la compatibilité logicielle sont également des critères importants.

Le VEML7700, par exemple, est un capteur de lumière ambiante intégré doté d’une interface I²C. Vishay’s page officielle du produit VEML7700 Il convient de vérifier les fiches techniques et les informations de conception actuelles avant d'approuver un suffixe spécifique.

8. Photorésistances et résistances dépendantes de la lumière

Une photorésistance, également appelée résistance dépendante de la lumière (LDR), voit sa résistance varier en fonction de l'intensité de la lumière incidente. Sa simplicité d'utilisation en fait un composant utile dans les circuits simples de détection de lumière.

Parmi les applications courantes, on peut citer les lampes à allumage automatique, les luxmètres, les systèmes d'alarme, les commandes de luminosité d'écran, les jouets et la détection basique de la lumière du jour. Un circuit diviseur de tension peut suffire lorsque l'application doit uniquement faire la distinction entre des conditions générales de lumière et d'obscurité.

Les LDR sont généralement plus lents que les photodiodes et peuvent présenter des tolérances importantes d'un exemplaire à l'autre. Il convient de vérifier leur résistance, leur comportement de récupération, leur réponse spectrale, leurs effets liés à la température et leur conformité aux normes environnementales.

Une photodiode n'est pas forcément meilleure qu'une LDR. Le choix approprié dépend de la mesure à effectuer :

• Utilisez une photorésistance (LDR) lorsque le circuit nécessite une détection de la lumière simple et à faible vitesse.
• Utilisez une photodiode lorsque la vitesse, la répétabilité, la bande passante ou la précision des mesures optiques étalonnées sont des critères importants.
• Utilisez un capteur de lumière ambiante intégré lorsque le système nécessite une valeur numérique, une réponse spectrale contrôlée ou une intégration plus aisée au processeur.

Une substitution entre ces types nécessite généralement une modification du circuit.

9. Photo-interrupteurs et capteurs optiques à réflexion

Un photo-interrupteur associe généralement un émetteur infrarouge et un phototransistor ou une photodiode dans un même boîtier. Cette géométrie fixe réduit les opérations d'alignement et rend ce composant particulièrement adapté aux systèmes mécaniques compacts.

Dans un photo-interrupteur à fente, l'émetteur et le détecteur sont placés de part et d'autre d'une fente. Un drapeau en mouvement, un bord de papier, un engrenage ou une roue codeuse interrompt le faisceau. Parmi les applications, on peut citer la détection du papier dans les imprimantes, la détection de la position d'un moteur, les mécanismes rotatifs, le comptage d'objets et la détection de fin de course.

Dans un capteur optique à réflexion, l'émetteur et le détecteur sont situés du même côté. Il détecte la lumière réfléchie par une cible proche. Ses performances peuvent varier en fonction de la distance de la cible, de la couleur de sa surface, de sa texture, de son angle et de la lumière ambiante.

Pour chacun de ces types, vérifiez la largeur de la fente ou la distance de détection, les dimensions mécaniques, la longueur d'onde, la sortie du détecteur, les intensités nominales, le temps de commutation, le mode de montage et la température de fonctionnement. L'empreinte sur le circuit imprimé ne suffit pas à elle seule à garantir la compatibilité mécanique.

Le Commutateur optique à fente OPB817Z Il s'agit d'un exemple de dispositif à sortie phototransistor utilisé pour la détection par interruption.

10. Écrans optoélectroniques

Les écrans optoélectroniques transforment les signaux électriques en informations visibles. Ce groupe comprend les écrans à LED individuels, les afficheurs à sept segments, les afficheurs à matrice de points et les modules d'affichage.

Ils sont utilisés dans les armoires de commande industrielles, les instruments de mesure, les appareils électroménagers, les produits de grande consommation, les tableaux de bord automobiles et les équipements médicaux. Un afficheur à sept segments peut afficher une simple valeur numérique, tandis qu’un dispositif à matrice de points peut présenter des caractères ou des graphiques simples.

Les équipes chargées des achats ne doivent pas se limiter aux dimensions et à la couleur d'un écran pour le choisir. Les éléments suivants peuvent déterminer sa compatibilité :

• Configuration à anode commune ou à cathode commune
• Nombre et disposition des segments
• Tension directe et courant de segment
• Couleur et longueur d'onde dominante
• Intensité lumineuse
• Exigences en matière de multiplexage
• Disposition des broches
• Angle de vision
• Hauteur des caractères et dimensions mécaniques
• Température de fonctionnement
• Compatibilité des pilotes

Des écrans qui semblent identiques vus de face peuvent présenter des brochages ou des connexions internes différents. Demander un schéma et la fiche technique à jour avant de valider une alternative permet d'éviter des problèmes au niveau du circuit imprimé et du micrologiciel.

Comparaison rapide des composants optoélectroniques

Composant	Fonction principale	Paramètres de sélection importants
LED	Émet de la lumière visible ou infrarouge	Longueur d'onde, intensité du courant, intensité, angle
Diode laser	Produit une lumière cohérente concentrée	Longueur d'onde, puissance optique, courant seuil
Photodiode	Détecte la lumière à grande vitesse	Sensibilité, courant d'obscurité, bande passante
Phototransistor	Détecte la lumière grâce à un gain interne	Sensibilité, temps de commutation, courant d'obscurité
Optocoupleur	Transmet un signal en traversant une barrière d'isolation	CTR ou débit de données, isolation, type de sortie
Émetteur et récepteur infrarouges	Émet et détecte des signaux infrarouges	Correspondance spectrale, intensité, sensibilité
Capteur de lumière ambiante	Mesures relatives à la lumière	Plage, résolution, interface, réponse spectrale
Photorésistance	Sa résistance varie en fonction de la lumière	Résistance à la lumière/à l'obscurité, temps de réponse
Photo-interrupteur	Détecte un mouvement ou un obstacle	Fente, distance de détection, sortie, vitesse
Affichage	Affiche des informations visibles	Configuration, brochage, intensité, dimensions

Conclusion

La catégorie « optoélectronique » comprend à la fois les émetteurs et les détecteurs de lumière, ainsi que les dispositifs intégrés qui utilisent la lumière pour isoler, détecter, transmettre ou afficher des informations. Le choix du type approprié n'est qu'une première étape. La référence complète du fabricant, les caractéristiques optiques, les caractéristiques électriques, le boîtier, la plage de température et les exigences d'application doivent également correspondre.

Lorsque vous recherchez un composant optoélectronique, précisez le nom du fabricant, la référence complète du composant, la quantité requise, le type de boîtier, l'application visée, la température de fonctionnement, ainsi que toute exigence relative à la longueur d'onde, à la vitesse, à l'isolation ou à la documentation.

Duolink Electronics est un fournisseur indépendant de composants électroniques qui propose des services de recherche de références, d'approvisionnement de nomenclatures, de vérification de la disponibilité et de recherche de composants difficiles à trouver. Les acheteurs peuvent Contacter Duolink Electronics accompagnées de leurs spécifications techniques et commerciales, pour examen.

Foire aux questions

Qu'est-ce qu'un composant optoélectronique ?

Un composant optoélectronique sert à produire, détecter, contrôler ou convertir la lumière. Parmi les exemples courants, on peut citer les LED, les photodiodes, les phototransistors, les optocoupleurs, les capteurs optiques, les photo-interrupteurs et les écrans.

Un phototransistor peut-il remplacer une photodiode ?

En général, cela ne se fait pas sans une analyse du circuit. Un phototransistor offre un gain de courant interne, mais il est généralement plus lent et moins linéaire. Une photodiode peut nécessiter un amplificateur séparé, mais elle est mieux adaptée à une détection optique rapide ou précise.

Les optocoupleurs PC817 et 6N137 sont-ils interchangeables ?

Non. Un composant de type PC817 dispose généralement d'une sortie à phototransistor, tandis qu'un composant de type 6N137 utilise un détecteur logique à haute vitesse. Leurs brochages, leurs exigences en matière d'alimentation, leurs vitesses de commutation et leurs circuits de sortie diffèrent.

Pourquoi la longueur d'onde d'un émetteur infrarouge doit-elle correspondre à celle du récepteur ?

La sensibilité d'un récepteur varie en fonction du spectre optique. L'adaptation de la longueur d'onde maximale de l'émetteur à la réponse spectrale du récepteur permet d'améliorer la puissance du signal, la portée de détection et la marge de bruit.

Quelles informations doivent figurer dans un appel d'offres concernant des composants optoélectroniques ?

Veuillez indiquer la référence complète du fabricant, le nom du fabricant, la quantité, le conditionnement, la longueur d'onde ou la couleur requise, la classe de température, les spécifications optiques et électriques, l'application visée, vos préférences en matière d'emballage et les besoins en documentation.

Deux composants optoélectroniques dotés du même boîtier peuvent-ils se substituer l'un à l'autre ?

Le fait que les boîtiers soient identiques ne garantit pas la compatibilité fonctionnelle. Il convient de comparer le brochage, la longueur d'onde, les caractéristiques électriques, la puissance de sortie optique ou la sensibilité, le temps de réponse, l'interface, la plage de température et le statut de qualification. Il est recommandé d'obtenir l'accord du service technique avant d'utiliser un produit de remplacement.