Hoja de Datos del Fototransistor LTR-S320-DB-L - Paquete EIA - Sensibilidad Máxima 940nm - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-S320-DB-L es un fototransistor de silicio NPN de alto rendimiento diseñado para aplicaciones de detección infrarroja. Este componente está optimizado para detectar luz en el espectro del infrarrojo cercano, con una sensibilidad máxima específicamente en 940nm, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de sistemas de control remoto, detección de objetos y tareas de automatización industrial. Su función principal es convertir la luz infrarroja incidente en una corriente eléctrica correspondiente.

El dispositivo está encapsulado en un paquete estándar conforme a EIA con una lente de resina negra de corte de luz diurna. Esta lente filtra eficazmente la luz ambiental visible, reduciendo significativamente el ruido y las falsas activaciones, mejorando así la relación señal-ruido en presencia de iluminación de fondo. El paquete está diseñado para ser compatible con procesos de montaje automatizado de alto volumen, incluyendo alimentación por cinta y carrete y soldadura por reflujo infrarrojo, alineándose con los requisitos de fabricación modernos.

Como "Producto Verde" compatible con RoHS y sin plomo (Pb-free), cumple con los estándares ambientales contemporáneos. La combinación de su respuesta espectral, diseño del paquete y compatibilidad de fabricación lo posiciona como una solución confiable y versátil para circuitos de detección infrarroja sensibles al costo y orientados al rendimiento.

2. Parámetros Técnicos: Interpretación Objetiva en Profundidad

Todas las características eléctricas y ópticas se especifican a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C, proporcionando una línea base estandarizada para la evaluación del rendimiento.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No se garantiza el funcionamiento en o bajo estos límites y debe evitarse en el diseño del circuito.

• Disipación de Potencia (P_D):150 mW. Esta es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar como calor. Exceder este límite conlleva el riesgo de fuga térmica y fallo.
• Voltaje Colector-Emisor (V_CEO):30 V. El voltaje máximo que se puede aplicar entre los terminales del colector y el emisor cuando la base está abierta (fototransistor en oscuridad).
• Rango de Temperatura de Operación:-40°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente en el que el dispositivo está diseñado para funcionar correctamente.
• Rango de Temperatura de Almacenamiento:-55°C a +100°C. El rango de temperatura para almacenamiento no operativo sin degradación.
• Condición de Soldadura Infrarroja:Temperatura máxima de 260°C durante un máximo de 10 segundos. Esto define el límite del perfil térmico para procesos de soldadura por reflujo sin plomo.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros definen el rendimiento del dispositivo bajo condiciones de prueba específicas.

• Voltaje de Ruptura Inversa (V_(BR)R):Mínimo 33V, típico 170V a I_R=100µA. Este valor alto indica una unión robusta capaz de soportar un sesgo inverso significativo, lo que es beneficioso para circuitos con cargas inductivas o picos de voltaje.
• Corriente Oscura Inversa (I_D):Máximo 10 nA a V_R=10V. Esta es la corriente de fuga cuando no incide luz. Una corriente oscura baja es crítica para lograr alta sensibilidad y operación de bajo ruido, especialmente en escenarios de detección con poca luz.
• Voltaje en Circuito Abierto (V_OC):Típico 390 mV cuando se ilumina con luz de 940nm a una irradiancia (E_e) de 0.5 mW/cm². Este parámetro es relevante cuando el dispositivo se usa en modo fotovoltaico (sin polarización externa).
• Corriente en Cortocircuito (I_SC):Típico 1.8 µA bajo las mismas condiciones de prueba que V_OC(V_R=5V, λ=940nm, E_e=0.5 mW/cm²). Esto representa la fotocorriente generada cuando la salida está en cortocircuito.
• Tiempo de Subida (T_r) & Tiempo de Bajada (T_f):Máximo 30 ns cada uno (V_R=10V, R_L=1kΩ). Estas especificaciones de velocidad de conmutación son cruciales para aplicaciones que requieren detección de pulsos rápidos o modulación de alta frecuencia, como en enlaces de comunicación de datos.
• Capacitancia Total (C_T):Máximo 1 pF a V_R=5V, f=1MHz. La baja capacitancia de unión es esencial para mantener tiempos de respuesta rápidos, ya que limita la constante de tiempo RC del circuito.
• Ancho de Banda Espectral (λ_0.5):750 nm a 1100 nm. Esto define el rango de longitudes de onda donde la responsividad del dispositivo es al menos la mitad de su valor máximo. Cubre la región infrarroja común utilizada por muchos emisores IR (como LEDs de 850nm y 940nm).
• Longitud de Onda de Sensibilidad Máxima (λ_P):940 nm. El dispositivo está emparejado espectralmente con LEDs infrarrojos que emiten a 940nm, asegurando la máxima eficiencia y fuerza de señal en dichos emparejamientos.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos hace referencia a curvas características típicas que proporcionan una visión visual del comportamiento del dispositivo bajo condiciones variables. Si bien los gráficos específicos no se reproducen en el texto, sus implicaciones típicas se analizan a continuación.

3.1 Características IV (Corriente-Voltaje)

Una familia de curvas que traza la corriente del colector (I_C) contra el voltaje colector-emisor (V_CE) para diferentes niveles de irradiancia incidente (E_e). Estas curvas típicamente mostrarían que para una irradiancia fija, I_Caumenta con V_CEhasta que alcanza una región de saturación. Niveles de irradiancia más altos desplazan las curvas hacia arriba, indicando una mayor fotocorriente. La pendiente en la región activa se relaciona con la conductancia de salida del dispositivo.

3.2 Sensibilidad Relativa vs. Longitud de Onda

Esta curva representa gráficamente la respuesta espectral, alcanzando un máximo en 940nm y disminuyendo hacia 750nm y 1100nm (los puntos λ_0.5). Es esencial para seleccionar un emisor IR apropiado para emparejar con el detector y para evaluar el impacto de fuentes de luz ambiental con diferentes espectros.

3.3 Dependencia de la Temperatura

Las curvas probablemente muestran la variación de parámetros clave como la corriente oscura (I_D) y la fotocorriente con la temperatura ambiente. La corriente oscura típicamente aumenta exponencialmente con la temperatura (duplicándose aproximadamente cada 10°C), lo que puede ser una fuente significativa de ruido en aplicaciones de alta temperatura. La fotocorriente también puede tener un ligero coeficiente de temperatura negativo.

4. Información Mecánica y de Empaquetado

4.1 Dimensiones del Paquete

El dispositivo se ajusta a un contorno de paquete estándar EIA. Todas las dimensiones se proporcionan en milímetros con una tolerancia estándar de ±0.10 mm a menos que se especifique lo contrario. El paquete cuenta con una lente de resina negra de corte de luz diurna moldeada sobre el chip de silicio.

4.2 Identificación de Polaridad y Pinout

El fototransistor es un dispositivo de 2 pines. El pinout es estándar para tales paquetes: el colector está típicamente conectado a la carcasa o al terminal más largo (si aplica), mientras que el emisor es el otro pin. El diagrama de la hoja de datos proporciona la identificación definitiva. La polaridad correcta es esencial para el funcionamiento adecuado del circuito.

4.3 Diseño Sugerido de Pads de Soldadura

Se proporciona un patrón de pistas (huella) recomendado para el diseño de PCB para garantizar la formación confiable de la unión de soldadura durante el reflujo. Adherirse a estas dimensiones ayuda a prevenir el efecto "tombstoning", desalineación o filetes de soldadura insuficientes.

5. Guías de Soldadura y Montaje

5.1 Perfil de Soldadura por Reflujo

Se proporciona una sugerencia detallada para un perfil de reflujo infrarrojo adecuado para procesos de soldadura sin plomo (Pb-free). Los parámetros clave incluyen:

• Precalentamiento:150°C a 200°C.
• Tiempo de Precalentamiento:Máximo 120 segundos.
• Temperatura Máxima:Máximo 260°C.
• Tiempo por Encima del Líquidus (en el pico):Máximo 10 segundos.
• Número Máximo de Ciclos de Reflujo: Two.

El perfil se basa en estándares JEDEC para garantizar la integridad del paquete. Los ingenieros deben caracterizar el perfil para su diseño de PCB, componentes y pasta de soldadura específicos.

5.2 Soldadura Manual

Si es necesaria la soldadura manual, la temperatura de la punta del cautín no debe exceder los 300°C, y el tiempo de soldadura por terminal debe limitarse a un máximo de 3 segundos. Se recomienda solo un ciclo de soldadura manual para evitar estrés térmico.

5.3 Limpieza

Solo deben usarse agentes de limpieza especificados. Se recomienda alcohol isopropílico (IPA) o alcohol etílico. El dispositivo debe sumergirse a temperatura ambiente durante menos de un minuto. Líquidos químicos no especificados pueden dañar la resina del paquete.

5.4 Condiciones de Almacenamiento

Paquete Sellado (Bolsa de Barrera de Humedad):Almacenar a ≤30°C y ≤90% HR. Los componentes están clasificados para su uso dentro de un año a partir de la fecha de sellado de la bolsa.

Paquete Abierto:Almacenar a ≤30°C y ≤60% HR. Los componentes deben someterse a reflujo dentro de una semana (168 horas). Para un almacenamiento más prolongado fuera de la bolsa original, deben almacenarse en un recipiente sellado con desecante o en un desecador de nitrógeno. Los componentes almacenados por más de una semana deben hornearse a aproximadamente 60°C durante al menos 20 horas antes de soldar para eliminar la humedad absorbida y prevenir el "efecto palomita de maíz" durante el reflujo.

6. Información de Empaquetado y Pedido

6.1 Especificaciones de Cinta y Carrete

El dispositivo se suministra en cinta portadora de 8mm en carretes de 7 pulgadas (178mm) de diámetro, compatible con equipos de colocación automática estándar.

• Piezas por Carrete: 3000.
• Cinta de Cubierta:Los bolsillos vacíos de componentes se sellan con una cinta de cubierta superior.
• Componentes Faltantes:Se permite un máximo de dos componentes faltantes consecutivos ("lámparas faltantes") por especificación de carrete.
• Estándar:El empaquetado sigue las especificaciones ANSI/EIA 481-1-A-1994.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Receptores de Control Remoto Infrarrojo:Para televisores, sistemas de audio y decodificadores (emparejados con un LED IR de 940nm).
• Detección de Objetos/Proximidad:En impresoras, copiadoras, máquinas expendedoras y automatización industrial para detectar papel, objetos o posición.
• Detectores de Humo:En diseños basados en cámara óptica.
• Codificadores:Para detección de velocidad o posición en control de motores.
• Aislamiento Óptico Básico:En circuitos de aislamiento de baja velocidad y sensibles al costo.

7.2 Consideraciones de Diseño de Circuito

Método de Conducción:El fototransistor es un dispositivo de salida de corriente. Para un rendimiento consistente, especialmente cuando se usan múltiples dispositivos en paralelo, se recomienda encarecidamente usar una resistencia limitadora de corriente en serie con cada fototransistor (Modelo de Circuito A en la hoja de datos).

Modelo de Circuito A (Recomendado):Cada fototransistor tiene su propia resistencia en serie conectada al voltaje de alimentación. Esto asegura que cada dispositivo opere en un punto de corriente definido, compensando las variaciones menores en sus características corriente-voltaje (I-V) y evitando que un dispositivo acapare la corriente.

Modelo de Circuito B (No Recomendado para Uso en Paralelo):Múltiples fototransistores conectados directamente en paralelo a una única resistencia compartida. Debido a las variaciones naturales en la curva I-V de los componentes individuales, un dispositivo puede consumir más corriente que otros, lo que lleva a un brillo o sensibilidad desigual en aplicaciones de detección.

Polarización:El dispositivo se usa típicamente en una configuración de emisor común con una resistencia de pull-up en el colector. El valor de esta resistencia de carga (R_L) afecta tanto la excursión del voltaje de salida como la velocidad de respuesta (a través de la constante de tiempo RC formada con la capacitancia del dispositivo). Una R_Lmás pequeña da una respuesta más rápida pero un cambio de voltaje de salida más pequeño.

Inmunidad al Ruido:La lente negra de corte de luz diurna proporciona un excelente rechazo de la luz visible. Sin embargo, para entornos de alto ruido (por ejemplo, con iluminación fluorescente o luz solar), puede ser necesario un filtrado eléctrico adicional (por ejemplo, un capacitor en paralelo con la resistencia de carga o un algoritmo de debounce por hardware/software) para rechazar interferencias moduladas.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con un fotodiodo simple, un fototransistor proporciona ganancia de corriente interna (la beta, β, del transistor), lo que resulta en una corriente de salida mucho mayor para el mismo nivel de luz incidente. Esto facilita la interfaz directa con circuitos lógicos o microcontroladores sin requerir una etapa de amplificación posterior, simplificando el diseño y reduciendo el número de componentes.

Sin embargo, esta ganancia tiene el costo de tiempos de respuesta más lentos (típicamente decenas a cientos de nanosegundos para fototransistores vs. nanosegundos para fotodiodos) y potencialmente una mayor capacitancia. Para aplicaciones de muy alta velocidad (por ejemplo, modulación >1 MHz), un fotodiodo con un amplificador de transimpedancia externo podría ser una mejor opción.

Los diferenciadores clave del LTR-S320-DB-L dentro de la categoría de fototransistores son su paquete EIA estandarizado para facilitar la fabricación, el emparejamiento espectral específico de 940nm, la lente integrada de filtro de luz diurna y su calificación para procesos de reflujo sin plomo.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

9.1 ¿Cuál es el propósito de la lente "corte de luz diurna"?

La lente de resina negra está dopada para ser opaca a la luz visible pero transparente a las longitudes de onda infrarrojas alrededor de 940nm. Esto reduce drásticamente la fotocorriente generada por la luz ambiental de la habitación, la luz solar u otras fuentes visibles, minimizando las falsas activaciones y mejorando la confiabilidad de la detección de la señal IR.

9.2 ¿Puedo usarlo con un LED IR de 850nm?

Sí, pero con eficiencia reducida. La curva de respuesta espectral del dispositivo muestra una sensibilidad significativa a 850nm (dentro del ancho de banda de 750-1100nm), pero no está en el máximo (940nm). La señal de salida será más débil en comparación con el uso de un emisor emparejado de 940nm. Para un rendimiento óptimo y un alcance máximo, se recomienda emparejarlo con una fuente de 940nm.

9.3 ¿Cómo calculo el valor apropiado de la resistencia en serie?

El valor de la resistencia depende de la corriente de operación deseada y del voltaje de alimentación (V_CC). Bajo una irradiancia específica, el fototransistor se comportará como una fuente de corriente. Usando la Ley de Ohm: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)es el voltaje de saturación (típicamente unos cientos de mV a corrientes moderadas). I_Ces la corriente de colector deseada, que puede estimarse a partir del parámetro I_SCy el nivel de luz esperado. Comience con la I_SCtípica (1.8 µA a 0.5 mW/cm²) y escálela según la irradiancia de su aplicación. Elija R para establecer el punto de operación en la región deseada de la curva IV.

9.4 ¿Por qué se requiere horneado si las piezas se almacenan fuera de la bolsa?

Los paquetes plásticos pueden absorber humedad de la atmósfera. Durante el proceso de soldadura por reflujo a alta temperatura, esta humedad atrapada puede vaporizarse rápidamente, creando alta presión interna. Esto puede causar la delaminación del paquete del dado ("efecto palomita de maíz") o grietas internas, lo que lleva a fallos inmediatos o latentes. El horneado elimina esta humedad absorbida, haciendo que los componentes sean seguros para el reflujo.

10. Principio de Funcionamiento

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. Los fotones incidentes con energía mayor que el bandgap del silicio crean pares electrón-hueco en la región de la unión base-colector. Estos portadores son arrastrados por el campo eléctrico interno, generando una fotocorriente que actúa como la corriente de base (I_B). Esta corriente de base fotogenerada es luego amplificada por la ganancia de corriente del transistor (h_FEo β), resultando en una corriente de colector mucho mayor (I_C= β * I_B). La salida se toma del terminal del colector, con el emisor conectado a tierra. La ausencia de un terminal de base físico es una característica común, aunque algunos fototransistores incluyen una conexión de base para control de polarización u optimización de velocidad.

11. Tendencias de Desarrollo

El campo de la fotodetección continúa evolucionando. Las tendencias relevantes para dispositivos como el LTR-S320-DB-L incluyen:

• Miniaturización:Desarrollo de fototransistores en huellas de paquete más pequeñas (por ejemplo, paquetes de escala de chip) para permitir electrónica más densa.
• Integración Mejorada:Combinar el fotodetector con amplificación, filtrado y lógica digital en un solo chip para crear "sensores inteligentes" con salida digital (I2C, SPI), reduciendo el número de componentes externos y simplificando el diseño del sistema.
• Velocidad Mejorada:Investigación en estructuras y materiales para reducir el tiempo de tránsito de portadores y la capacitancia, impulsando los anchos de banda de los fototransistores más alto para aplicaciones de comunicación de datos.
• Especificidad de Longitud de Onda:Desarrollo de detectores con respuestas espectrales más estrechas y sintonizadas con mayor precisión para mejorar la selectividad en entornos con múltiples fuentes IR o para habilitar nuevas modalidades de detección.
• Enfoque en Confiabilidad y Pruebas:A medida que la optoelectrónica penetra en aplicaciones automotrices, médicas y de seguridad industrial, hay un mayor énfasis en estándares de calificación rigurosos, operación en rangos de temperatura extendidos y análisis de modos de fallo.

Si bien los fototransistores discretos siguen siendo vitales para muchas aplicaciones debido a su simplicidad y rentabilidad, estas tendencias apuntan hacia soluciones más sofisticadas y específicas para la aplicación en el futuro.