Hoja de Datos del Fototransistor LTR-5576D - Carcasa 3.0x2.8x1.9mm - Vce 30V - Potencia 100mW - Filtro Verde Oscuro - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-5576D es un fototransistor de silicio NPN diseñado para aplicaciones de detección infrarroja. Su función principal es convertir la luz infrarroja incidente en una corriente eléctrica en su terminal de colector. Una característica distintiva clave de este componente es su carcasa especial de plástico verde oscuro. Este material de encapsulado se elige específicamente para atenuar o bloquear las longitudes de onda de la luz visible, mejorando así la sensibilidad y selectividad del dispositivo a la radiación infrarroja. Esto lo hace particularmente adecuado para aplicaciones donde es crucial discriminar entre la luz visible ambiental y la señal infrarroja deseada.

Las ventajas principales del LTR-5576D incluyen un amplio rango de operación para la corriente de colector, lo que proporciona flexibilidad de diseño. Ofrece alta sensibilidad a la luz infrarroja, asegurando una detección confiable incluso a niveles de irradiancia más bajos. Además, cuenta con tiempos de conmutación rápidos, caracterizados por tiempos de subida y bajada en el rango de microsegundos, permitiendo su uso en aplicaciones que requieren respuesta rápida, como enlaces de comunicación de datos, detección de objetos y sensado de velocidad.

2. Análisis Profundo de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los valores más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente al dispositivo. Se especifican a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C.

• Disipación de Potencia (P_D):100 mW. Esta es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar en forma de calor. Exceder este límite conlleva el riesgo de fuga térmica y falla.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO):30 V. La tensión máxima que se puede aplicar entre el colector y el emisor con la base abierta (flotante).
• Tensión Emisor-Colector (V_ECO):5 V. La tensión inversa máxima aplicable entre el emisor y el colector.
• Rango de Temperatura de Operación:-40°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente dentro del cual se garantiza que el dispositivo funcione de acuerdo con sus especificaciones eléctricas.
• Rango de Temperatura de Almacenamiento:-55°C a +100°C. El rango de temperatura para almacenamiento no operativo sin degradación.
• Temperatura de Soldadura de Terminales:260°C durante 5 segundos, medido a 1.6mm del cuerpo del encapsulado. Esto define las restricciones del perfil de soldadura por reflujo.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo bajo condiciones de prueba específicas a T_A=25°C.

• Tensión de Ruptura Colector-Emisor, V_(BR)CEO:30 V (Mín.). Medido a I_C= 1mA con irradiancia cero (E_e= 0 mW/cm²).
• Tensión de Ruptura Emisor-Colector, V_(BR)ECO:5 V (Mín.). Medido a I_E= 100μA con irradiancia cero.
• Tensión de Saturación Colector-Emisor, V_CE(SAT):0.4 V (Máx.). La caída de tensión a través del dispositivo cuando está completamente "encendido" (conduciendo), probado a I_C= 50μA y E_e= 0.5 mW/cm². Un V_CE(SAT)bajo es deseable para una conmutación eficiente.
• Tiempos de Conmutación:
  • Tiempo de Subida (T_r):15 μs (Típ.). El tiempo que tarda la corriente de salida en subir del 10% al 90% de su valor final.
  • Tiempo de Bajada (T_f):18 μs (Típ.). El tiempo que tarda la corriente de salida en caer del 90% al 10% de su valor inicial. Probado a V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ.
• Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO):100 nA (Máx.). La corriente de fuga que fluye a través del colector cuando no incide luz (E_e= 0 mW/cm²) y V_CE= 10V. Una corriente de oscuridad baja es crítica para una buena relación señal-ruido en detección con poca luz.
• Relación de Corriente de Colector en Estado Conducción (R):Definida como I_L1/I_L2, con un valor típico de 1.0 y mín./máx. de 0.8/1.25. Este parámetro se relaciona con la consistencia de la salida de corriente bajo condiciones de prueba específicas.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

El LTR-5576D emplea un sistema de clasificación basado en la corriente promedio de colector en estado de conducción (I_C(ON)). Esta corriente se mide bajo condiciones estandarizadas: V_CE= 5V y una irradiancia (E_e) de 1 mW/cm². Los dispositivos se clasifican en diferentes grupos (A a F) de acuerdo con su rango medido de I_C(ON). Cada grupo está asociado con un marcado de color específico para facilitar su identificación.

Se proporcionan dos conjuntos de límites: los rangos más estrictos deConfiguración de Producciónutilizados durante la clasificación en fabricación, y los límites más amplios deControl de Calidad (Q.C.)utilizados para la prueba de aceptación final.

Esta clasificación permite a los diseñadores seleccionar dispositivos con sensibilidad consistente para los requisitos específicos de su circuito, asegurando un rendimiento predecible en la producción en volumen.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran el comportamiento del dispositivo bajo condiciones variables.

4.1 Corriente de Oscuridad del Colector vs. Temperatura Ambiente (Fig. 1)

Esta curva muestra que la corriente de oscuridad del colector (I_CEO) aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura ambiente. A 25°C, está en el rango de nanoamperios, pero puede aumentar significativamente en el extremo superior del rango de temperatura de operación (+85°C). Esta característica es crucial para diseñar circuitos que deben mantener estabilidad en un amplio rango de temperaturas, ya que la corriente de oscuridad creciente actúa como una fuente de desplazamiento o ruido.

4.2 Derating de Potencia del Colector vs. Temperatura Ambiente (Fig. 2)

Este gráfico representa la reducción de la disipación de potencia máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. A 25°C, el dispositivo puede disipar los 100 mW completos. A medida que la temperatura sube, esta potencia máxima debe reducirse linealmente para evitar exceder el límite de temperatura de unión. Esta curva es esencial para la gestión térmica y para asegurar una operación confiable en entornos de temperatura elevada.

4.3 Tiempo de Subida y Bajada vs. Resistencia de Carga (Fig. 3)

Este gráfico demuestra la relación entre la velocidad de conmutación (T_r, T_f) y la resistencia de carga (R_L) conectada al colector. Los tiempos de conmutación disminuyen a medida que la resistencia de carga disminuye. Esto se debe a que una R_Lmás pequeña permite una carga y descarga más rápida de la capacitancia de unión del fototransistor y de cualquier capacitancia parásita en el circuito. Los diseñadores pueden usar esta curva para optimizar R_Lpara lograr un equilibrio deseado entre velocidad de conmutación y amplitud de la señal de salida.

4.4 Corriente Relativa del Colector vs. Irradiancia (Fig. 4)

Esta curva muestra la función de transferencia del fototransistor: la relación entre la irradiancia infrarroja incidente (E_e, en mW/cm²) y la corriente de colector resultante (I_C). La curva es típicamente lineal en un cierto rango. Esta linealidad es importante para aplicaciones de sensado analógico donde la corriente de salida debe ser directamente proporcional a la intensidad de la luz. El gráfico se toma a V_CE= 5V.

5. Información Mecánica y del Encapsulado

5.1 Dimensiones del Encapsulado

El LTR-5576D viene en un encapsulado estándar de 3 pines de visión lateral. Las dimensiones clave (en milímetros) son las siguientes, con una tolerancia general de ±0.15mm a menos que se especifique lo contrario:

• Cuerpo del Encapsulado: Aproximadamente 3.0mm de largo, 2.8mm de alto y 1.9mm de profundidad (excluyendo terminales).
• Espaciado de Terminales: La distancia entre los centros de los terminales es un valor estándar, medido donde emergen del cuerpo del encapsulado.
• Resina Proyectada: Un máximo de 1.5mm de resina puede proyectarse bajo la brida.

El material plástico verde oscuro del encapsulado es integral para su función, filtrando la luz visible.

5.2 Identificación de Polaridad

El dispositivo tiene tres terminales: Emisor, Colector y Base (a menudo se deja desconectada o se usa para una resistencia de polarización en algunas configuraciones). La asignación de pines es estándar para este tipo de encapsulado, pero los diseñadores siempre deben consultar el dibujo detallado del encapsulado en la hoja de datos para la orientación correcta. Una conexión incorrecta puede dañar el dispositivo.

6. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

El manejo y ensamblaje de fototransistores requiere cuidado para evitar daños por descarga electrostática (ESD) y calor excesivo.

• Precauciones contra ESD:El dispositivo es sensible a ESD. Se deben seguir procedimientos adecuados de manejo seguro contra ESD, incluyendo el uso de pulseras conectadas a tierra y superficies de trabajo conductoras.
• Soldadura por Reflujo:El límite absoluto máximo para la soldadura de terminales es de 260°C durante 5 segundos, medido a 1.6mm del cuerpo del encapsulado. Esto corresponde a un perfil estándar de reflujo sin plomo. El perfil debe controlarse cuidadosamente para evitar choque térmico o exceder este límite.
• Soldadura por Ola:Si se utiliza, la soldadura por ola debe realizarse con un precalentamiento apropiado para minimizar el estrés térmico en el encapsulado plástico.
• Limpieza:Utilice solventes de limpieza compatibles con el material plástico verde oscuro para evitar decoloración o degradación.
• Almacenamiento:Almacene en un ambiente seco, protegido contra ESD, dentro del rango de temperatura especificado de -55°C a +100°C.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección de Objetos y Sensado de Proximidad:Se utiliza en dispositivos como grifos automáticos, secadores de manos, dispensadores de toallas de papel y sistemas de seguridad para detectar la presencia o ausencia de un objeto reflejando un haz infrarrojo.
• Automatización Industrial:Para contar objetos en una cinta transportadora, detectar la posición de partes de maquinaria o en codificadores ópticos para retroalimentación de velocidad y posición.
• Electrónica de Consumo:En receptores de control remoto (aunque a menudo emparejados con un CI dedicado), sensores de luz ambiental para control de brillo de pantalla y sensores de ranura en impresoras o unidades de disco.
• Enlaces de Datos Básicos:Para transmisión de datos infrarrojos simple y de corto alcance (por ejemplo, sistemas compatibles con IrDA a velocidades más bajas).

7.2 Consideraciones de Diseño

• Circuito de Polarización:El fototransistor puede usarse en dos configuraciones comunes: como interruptor simple (con una resistencia de pull-up) o en modo lineal para sensado analógico. El valor de la resistencia de carga (R_L) es crítico y afecta la ganancia, el ancho de banda (velocidad de conmutación) y la excursión del voltaje de salida.
• Rechazo de Luz Ambiental:La carcasa verde oscuro proporciona un rechazo significativo de la luz visible, pero no es perfecto. Para entornos con alta luz ambiental, pueden ser necesarias técnicas adicionales como filtrado óptico, señales IR moduladas o detección síncrona para mejorar la integridad de la señal.
• Compensación de Temperatura:Como se muestra en las curvas, la corriente de oscuridad aumenta con la temperatura. Para sensado analógico de precisión, los circuitos pueden necesitar compensación de temperatura o usar el dispositivo en una configuración diferencial para cancelar el desplazamiento dependiente de la temperatura.
• Diseño de Lente y Alojamiento:El campo de visión del sensor está determinado por su encapsulado. Se pueden usar lentes externas o aperturas para enfocar o restringir el área de sensado según lo requiera la aplicación.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

El diferenciador principal del LTR-5576D es sucarcasa de plástico verde oscuro. En comparación con encapsulados estándar transparentes o incoloros, esto ofrece un filtrado inherente de la luz visible, simplificando el diseño óptico en entornos con luz visible ambiental fluctuante. Sustiempos de conmutación rápidos(en el rango de 15-18 μs) lo hacen adecuado para aplicaciones que requieren una respuesta más rápida que los fototransistores típicos, que pueden tener tiempos de conmutación en decenas a cientos de microsegundos. Elsistema de clasificación integral(Grupos A-F) proporciona a los diseñadores un rango de sensibilidad garantizado, permitiendo un rendimiento más consistente en la producción en volumen en comparación con partes no clasificadas con dispersiones de parámetros más amplias.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es el propósito de la carcasa verde oscuro?
R: El plástico verde oscuro actúa como un filtro óptico incorporado. Atenúa la mayor parte del espectro de luz visible mientras permite que las longitudes de onda infrarrojas pasen al chip de silicio. Esto reduce significativamente la respuesta del sensor a la luz ambiental de la habitación, la luz solar u otras fuentes visibles, haciendo que responda principalmente a la señal infrarroja deseada.

P: ¿Cómo elijo la resistencia de carga correcta (R_L)?
R: La elección implica una compensación. Una R_Lmás grande proporciona una mayor excursión de voltaje de salida para una fotocorriente dada (mayor ganancia) pero resulta en velocidades de conmutación más lentas (ver Fig. 3). Una R_Lmás pequeña ofrece una respuesta más rápida pero menor ganancia. Seleccione R_Lbasándose en si su prioridad es la sensibilidad (sensado analógico) o la velocidad (conmutación digital).

P: ¿Qué significa la clasificación (A-F) para mi diseño?
R: La clasificación asegura consistencia en la sensibilidad. Si su circuito está diseñado para un umbral de corriente específico, usar dispositivos del mismo grupo garantiza que todos se activen aproximadamente al mismo nivel de luz. Mezclar grupos podría causar que algunas unidades sean más o menos sensibles que otras. Seleccione un grupo cuyo rango de I_C(ON)se ajuste al punto de operación de su circuito.

P: ¿Puedo usar este sensor a la luz solar directa?
R: Aunque la carcasa verde oscuro ayuda, la luz solar directa contiene una cantidad masiva de radiación infrarroja que puede saturar el sensor. Para aplicaciones al aire libre o con alto IR ambiental, se necesitan medidas adicionales, como filtros de paso de banda ópticos sintonizados a la longitud de onda específica de su fuente IR, blindaje físico o el uso de una fuente IR modulada con detección síncrona.

10. Estudio de Caso de Diseño Práctico

Escenario: Diseño de un Sensor para Dispensador de Toallas de Papel.
El objetivo es detectar una mano colocada debajo del dispensador y activar el motor. Un LED emisor IR se coloca opuesto al detector LTR-5576D. Normalmente, el haz IR golpea el detector, generando una corriente. Cuando una mano interrumpe el haz, la corriente cae.

Pasos de Diseño:
1. Configuración del Circuito:Use el fototransistor en una configuración de interruptor de emisor común. Conecte el colector a un voltaje de alimentación (por ejemplo, 5V) a través de una resistencia de carga R_L. El emisor se conecta a tierra. El voltaje de salida se toma en el nodo del colector.
2. Elección de R_L:Dado que la velocidad no es crítica (el movimiento de la mano es lento), priorice una buena excursión de señal. De la Fig. 4, a una irradiancia razonable, I_Cpodría ser ~500μA (Grupo C). Eligiendo R_L= 10kΩ se obtiene una excursión de voltaje de ΔV = I_C* R_L≈ 5V, lo cual es excelente para excitar una entrada lógica.
3. Selección de Clasificación:Elija un grupo (por ejemplo, Grupo C o D) que proporcione suficiente corriente con la salida del LED IR elegido a la distancia de sensado requerida. Esto asegura un disparo confiable.
4. Inmunidad a la Luz Ambiental:La carcasa verde oscuro del LTR-5576D rechaza automáticamente la mayoría de las variaciones en la iluminación de la habitación, haciendo que el sistema sea robusto sin un filtrado complejo.
5. Acondicionamiento de Salida:El voltaje del colector (alto cuando el haz está presente, bajo cuando se interrumpe) puede alimentarse directamente a un comparador o a un pin GPIO de un microcontrolador para su procesamiento.

11. Principio de Operación

Un fototransistor es fundamentalmente un transistor de unión bipolar (BJT) donde la corriente de base es generada por luz en lugar de una conexión eléctrica. En el LTR-5576D (tipo NPN), los fotones infrarrojos incidentes en la unión base-colector generan pares electrón-hueco. Estos portadores fotogenerados son arrastrados por el campo eléctrico a través de la unión base-colector polarizada en inversa, creando una fotocorriente. Esta fotocorriente actúa como la corriente de base (I_B) para el transistor. Debido a la ganancia de corriente del transistor (β o h_FE), la corriente de colector (I_C) es mucho mayor que la fotocorriente original (I_C≈ β * I_B). Esta amplificación interna es lo que le da a un fototransistor su alta sensibilidad en comparación con un simple fotodiodo.

12. Tendencias Tecnológicas

El campo del sensado óptico continúa evolucionando. Las tendencias relevantes para componentes como el LTR-5576D incluyen:
Integración:Mayor integración del fotodetector con circuitos de interfaz analógica (amplificadores de transimpedancia, ADCs) y lógica digital en soluciones de un solo chip o módulos.
Especificidad de Longitud de Onda:Desarrollo de detectores con curvas de respuesta espectral más agudas o sintonizables para aplicaciones específicas como sensado de gases o análisis biológico.
Miniaturización:Reducción continua en el tamaño del encapsulado para adaptarse a dispositivos de consumo y médicos cada vez más pequeños.
Mejora del Rendimiento:Esfuerzos para reducir aún más la corriente de oscuridad, mejorar la velocidad y aumentar la sensibilidad para aplicaciones de baja potencia. El principio fundamental del fototransistor sigue siendo válido, pero su implementación y la arquitectura del sistema de soporte continúan avanzando.