Hoja de Datos del Fototransistor LTR-3208 - Dimensiones del Paquete - Tensión Colector-Emisor 30V - Disipación de Potencia 100mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-3208 es un fototransistor de silicio NPN diseñado para aplicaciones de detección infrarroja. Se presenta en un encapsulado plástico de bajo costo que incorpora una lente integrada optimizada para alta sensibilidad. Este componente está diseñado para convertir la luz infrarroja incidente en una corriente eléctrica correspondiente en su terminal de colector, lo que lo hace adecuado para diversos sistemas de detección y sensado donde se requiere una detección de luz fiable y rentable.

1.1 Ventajas Principales

El dispositivo ofrece varios beneficios clave para los diseñadores. Su característica principal es un amplio rango de operación para la corriente de colector, proporcionando flexibilidad en el diseño de circuitos para diferentes niveles de señal. La incorporación de una lente directamente en el encapsulado mejora su sensibilidad a la radiación infrarroja entrante, mejorando la relación señal-ruido y el alcance de detección. Además, el uso de un encapsulado plástico estándar contribuye a un bajo coste total del componente, convirtiéndolo en una opción atractiva para aplicaciones de alto volumen o sensibles al costo.

1.2 Mercado Objetivo y Aplicaciones

Este fototransistor está dirigido al amplio mercado de la optoelectrónica, sirviendo a aplicaciones que requieren sensado sin contacto. Los casos de uso típicos incluyen detección de objetos, sensado de posición, interruptores de ranura (por ejemplo, en impresoras y codificadores), interruptores sin contacto y sistemas de automatización industrial. Su fiabilidad e interfaz simple (que normalmente requiere una resistencia de pull-up y un voltaje de alimentación) lo convierten en una elección común tanto para electrónica de consumo como para sistemas de control industrial.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

El rendimiento eléctrico y óptico del LTR-3208 se caracteriza en condiciones ambientales estándar (25°C). Comprender estos parámetros es crítico para un diseño de circuito adecuado y para garantizar un funcionamiento fiable dentro de los límites especificados del dispositivo.

2.1 Especificaciones Absolutas Máximas

Estas especificaciones definen los límites de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza la operación en o bajo estos límites. La disipación de potencia máxima es de 100 mW, lo que dicta el diseño térmico de la aplicación. La tensión máxima colector-emisor (V_CEO) es de 30V, mientras que la tensión máxima emisor-colector (V_ECO) es de 5V, lo que indica la asimetría del dispositivo. El rango de temperatura de operación es de -40°C a +85°C, y puede almacenarse en entornos de -55°C a +100°C. Para la soldadura, los terminales pueden soportar 260°C durante 5 segundos cuando se mide a 1,6 mm del cuerpo del encapsulado.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Los parámetros operativos clave definen el rendimiento del dispositivo en condiciones de prueba específicas. La Tensión de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO) es típicamente de 30V a 1mA de corriente de colector sin iluminación. La Tensión de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)) es muy baja, oscilando entre 0,1V (mín.) y 0,4V (máx.) cuando el dispositivo es excitado con 100μA de corriente de colector bajo una irradiancia de 1 mW/cm². Esta baja tensión de saturación es deseable para aplicaciones de conmutación. La velocidad de conmutación se caracteriza por el Tiempo de Subida (T_r) y el Tiempo de Bajada (T_f), especificados como 10 μs y 15 μs respectivamente bajo las condiciones de prueba de V_CC=5V, I_C=1mA, y R_L=1kΩ. La Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO), que es la corriente de fuga sin luz, tiene un valor máximo de 100 nA a V_CE=10V.

2.3 Corriente de Colector en Estado Conducción y Clasificación (Binning)

Un parámetro crítico es la Corriente de Colector en Estado Conducción (I_C(ON)), que es la salida de corriente cuando el dispositivo está iluminado. Este parámetro está clasificado (binning), lo que significa que los dispositivos se clasifican en grupos de rendimiento. La condición de prueba es V_CE= 5V con una irradiancia de 1 mW/cm² a una longitud de onda de 940nm. Las clasificaciones son las siguientes: Clase C: 0,8 a 2,4 mA; Clase D: 1,6 a 4,8 mA; Clase E: 3,2 a 9,6 mA; Clase F: 6,4 mA (mínimo). Esta clasificación permite a los diseñadores seleccionar un dispositivo con un rango de sensibilidad apropiado para su aplicación específica, asegurando un rendimiento del sistema consistente.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran cómo varían los parámetros clave con factores ambientales y operativos. Estos gráficos son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo más allá de las especificaciones de punto único dadas en las tablas.

3.1 Dependencia de la Temperatura

La Figura 1 muestra la relación entre la Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO) y la Temperatura Ambiente (T_a). La corriente de oscuridad aumenta exponencialmente con la temperatura, lo cual es una propiedad fundamental de las uniones semiconductoras. Los diseñadores deben tener en cuenta este aumento de fuga en entornos de alta temperatura, ya que puede afectar el nivel de señal en estado de corte y el ruido de fondo. La Figura 2 representa la reducción de la Disipación de Potencia Máxima Permisible del Colector (P_C) a medida que aumenta la temperatura ambiente. La especificación de 100 mW solo es válida a 25°C o menos; por encima de esta temperatura, la potencia máxima debe reducirse linealmente para evitar sobreestrés térmico.

3.2 Características Dinámicas y de Respuesta

La Figura 3 ilustra cómo los Tiempos de Subida y Bajada (T_r, T_f) se ven afectados por la Resistencia de Carga (R_L). Los tiempos de conmutación aumentan con resistencias de carga mayores. Esta es una consideración crucial para diseñar circuitos de detección de alta velocidad, donde puede ser necesaria una resistencia de carga más pequeña para lograr el ancho de banda deseado, aunque a costa de un mayor consumo de corriente. La Figura 4 muestra la Corriente Relativa del Colector en función de la Irradiancia (E_e). La relación es generalmente lineal en la región de operación, confirmando que la corriente de salida es directamente proporcional a la potencia de la luz incidente, lo cual es ideal para aplicaciones de sensado analógico.

3.3 Respuesta Espectral

Las Figuras 5 y 6 están relacionadas con la sensibilidad espectral del dispositivo. La Figura 5 es un diagrama polar que muestra la dependencia angular de la sensibilidad, indicando cómo varía la salida con el ángulo de la luz incidente relativo al eje del dispositivo. Esto es importante para la alineación en sistemas ópticos. La Figura 6, la curva de Distribución Espectral, muestra que el LTR-3208 es más sensible a la luz infrarroja, con una responsividad máxima que ocurre en una longitud de onda específica (implícitamente en la región del infrarrojo cercano, típico para fototransistores de silicio). Tiene una respuesta insignificante a la luz visible, lo que lo hace inmune a la iluminación ambiental en muchos casos.

4. Información Mecánica y de Encapsulado

4.1 Dimensiones del Paquete

El LTR-3208 utiliza un encapsulado plástico estándar con tres terminales. El paquete incluye una lente moldeada en la parte superior para enfocar la luz entrante en el área semiconductor sensible. Las dimensiones críticas incluyen el tamaño del cuerpo, el espaciado de los terminales y la protuberancia de la resina bajo la brida, especificada como un máximo de 1,5mm. El espaciado de los terminales se mide en el punto donde los terminales salen del cuerpo del encapsulado. Todas las dimensiones se proporcionan en milímetros con una tolerancia estándar de ±0,25mm a menos que se indique lo contrario. El contorno físico y las dimensiones son esenciales para el diseño de la huella en PCB y para asegurar un ajuste adecuado dentro del ensamblaje.

4.2 Identificación de Polaridad y Pinout

El dispositivo tiene tres pines: Colector, Emisor y Base (a menudo dejada sin conectar o usada para polarización en algunas configuraciones). El pinout típico para un fototransistor en este encapsulado es: cuando se ve el dispositivo desde arriba (lado de la lente) con el lado plano o la muesca orientada en una dirección específica, los pines de izquierda a derecha suelen ser Emisor, Colector y Base. Sin embargo, los diseñadores siempre deben verificar el pinout en el dibujo mecánico de la hoja de datos para evitar errores de conexión. El encapsulado también puede tener una marca o indentación para identificar el pin 1.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

5.1 Parámetros de Soldadura por Reflujo

Aunque en este extracto no se proporcionan detalles específicos del perfil de reflujo, las Especificaciones Absolutas Máximas dan una restricción crítica: los terminales pueden soportar una temperatura de soldadura de 260°C durante un máximo de 5 segundos cuando se mide a 1,6 mm del cuerpo del encapsulado. Esto implica que los perfiles de reflujo sin plomo estándar (que a menudo alcanzan un pico alrededor de 245-260°C) son aceptables, pero el tiempo por encima del líquido debe controlarse para evitar daños en el encapsulado. Se recomienda seguir los estándares JEDEC o IPC para la soldadura de dispositivos encapsulados en plástico.

5.2 Precauciones de Manipulación y Almacenamiento

El dispositivo debe manipularse con las precauciones estándar contra descargas electrostáticas (ESD), ya que la unión semiconductor puede dañarse por la electricidad estática. El almacenamiento debe estar dentro del rango de temperatura especificado de -55°C a +100°C en un entorno de baja humedad. La lente debe mantenerse limpia y libre de arañazos, contaminantes o exudación de epoxi durante el montaje, ya que estos pueden afectar significativamente el rendimiento óptico y la sensibilidad.

6. Sugerencias de Aplicación

6.1 Circuitos de Aplicación Típicos

La configuración de circuito más común es el "modo interruptor". El colector del fototransistor se conecta a un voltaje de alimentación positivo (V_CC) a través de una resistencia de pull-up (R_L). El emisor se conecta a tierra. La señal de salida se toma del nodo del colector. Cuando no hay luz presente, el dispositivo está apagado y la salida se eleva a V_CC. Cuando suficiente luz infrarroja incide en el dispositivo, se enciende, llevando el voltaje de salida a un nivel bajo hacia V_CE(SAT). El valor de R_Ldetermina la excursión de salida, el consumo de corriente y la velocidad de conmutación, como se muestra en las curvas de rendimiento.

6.2 Consideraciones de Diseño

Los factores clave de diseño incluyen:Polarización:Asegúrese de que el V_CEde operación esté dentro de la especificación máxima (30V).Selección de la Resistencia de Carga:Elija R_Lbasándose en la velocidad de conmutación requerida (ver Fig. 3), la excursión del voltaje de salida y el consumo de potencia. Una R_Lmás pequeña proporciona mayor velocidad pero mayor corriente.Alineación Óptica:Considere el diagrama de sensibilidad angular (Fig. 5) al diseñar la trayectoria óptica entre el emisor IR y el detector.Inmunidad a la Luz Ambiente:Aunque el dispositivo es principalmente sensible al IR, fuentes ambientales fuertes de IR (como la luz solar o bombillas incandescentes) pueden causar falsos disparos. El uso de una señal IR modulada y detección síncrona puede mejorar enormemente la inmunidad al ruido.Efectos de la Temperatura:Tenga en cuenta el aumento de la corriente de oscuridad con la temperatura, lo que puede requerir un ajuste del umbral en el circuito de detección.

7. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con un fotodiodo simple, un fototransistor proporciona ganancia interna, resultando en una corriente de salida mucho mayor para la misma entrada de luz, a menudo eliminando la necesidad de una etapa amplificadora adicional. En comparación con otros fototransistores, la diferenciación del LTR-3208 radica en su combinación específica de encapsulado (con lente integrada para mayor sensibilidad), sus clasificaciones de corriente definidas que permiten la selección de sensibilidad, y sus especificaciones eléctricas equilibradas (30V V_CEO, 100mW P_D). El bajo V_CE(SAT)también es una característica favorable para una conmutación digital limpia.

8. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Cuál es el propósito de las diferentes clasificaciones (C, D, E, F) para I_C(ON)?

R: La clasificación (binning) ordena los dispositivos por su sensibilidad. Los dispositivos de la Clase F tienen la corriente de salida mínima más alta (más sensibles), mientras que los de la Clase C tienen la más baja. Esto le permite elegir una pieza que coincida con el nivel de señal requerido por su sistema, asegurando consistencia y potencialmente simplificando el diseño del circuito al proporcionar un rango de señal predecible.

P: ¿Puedo usar este sensor a la luz del sol?

R: La luz solar directa contiene una cantidad significativa de radiación infrarroja y probablemente saturará el sensor, causando un estado constante de "encendido". Para uso en exteriores o en entornos muy iluminados, se recomienda encarecidamente el filtrado óptico (un filtro paso IR que bloquee la luz visible) y/o técnicas de modulación de señal para distinguir la señal IR deseada del ruido IR ambiental.

P: ¿Cómo interpreto los Tiempos de Subida y Bajada?

R: Estos especifican la velocidad a la que la salida puede cambiar de estado. Un tiempo de subida de 10μs significa que tarda aproximadamente 10 microsegundos en pasar del 10% al 90% de su valor final cuando se aplica luz. Esto limita la frecuencia máxima de luz modulada que puede detectarse con precisión. Para una simple detección de objetos, esta velocidad es más que adecuada. Para comunicación de alta velocidad, puede ser un factor limitante.

9. Ejemplo Práctico de Caso de Uso

Escenario: Detección de Papel en una Impresora.Un LTR-3208 (de una clasificación de sensibilidad apropiada) y un LED infrarrojo se colocan en lados opuestos de la trayectoria del papel, alineados para que el papel interrumpa el haz. El fototransistor se configura en un circuito interruptor con una resistencia de pull-up de 10kΩ a 5V. Cuando no hay papel, la luz IR incide en el sensor, encendiéndolo y llevando el pin de salida a un voltaje bajo (~0,2V). Cuando el papel pasa, bloquea la luz, apagando el fototransistor y permitiendo que el pin de salida se eleve a 5V. Esta señal digital se envía a un microcontrolador para rastrear la presencia del papel y la detección de bordes. La lente en el LTR-3208 ayuda a enfocar el haz IR, mejorando la fiabilidad y permitiendo un espacio ligeramente mayor entre el emisor y el detector.

10. Principio de Funcionamiento

Un fototransistor es un transistor de unión bipolar donde la región de la base está expuesta a la luz. Los fotones incidentes con energía mayor que el bandgap del semiconductor generan pares electrón-hueco en la unión base-colector. Estos portadores fotogenerados equivalen a una corriente de base. Debido a la amplificación de corriente del transistor (beta o h_FE), esta pequeña fotocorriente se multiplica, resultando en una corriente de colector mucho mayor. El dispositivo esencialmente combina la detección de luz de un fotodiodo con la ganancia de corriente de un transistor en un solo encapsulado. La lente integrada sirve para concentrar más luz en el área semiconductor activa, aumentando la "corriente de base" efectiva y, por tanto, la señal de salida.

11. Tendencias Tecnológicas

La tendencia general en componentes optoelectrónicos discretos como los fototransistores es hacia la miniaturización, mayor integración y mejor rendimiento. Esto incluye el desarrollo de encapsulados de montaje superficial con huellas más pequeñas y perfiles más bajos para satisfacer las demandas de los diseños de PCB modernos y densos. También hay un movimiento hacia dispositivos con parámetros de rendimiento mejor definidos y más consistentes, reduciendo la necesidad de calibración en aplicaciones finales. En algunas aplicaciones avanzadas, los fototransistores se están integrando con circuitos de amplificación y acondicionamiento de señal en el chip para crear soluciones más completas de "sensor en un paquete", aunque los componentes discretos como el LTR-3208 siguen siendo muy relevantes por su simplicidad, fiabilidad y rentabilidad en una amplia gama de tareas de sensado estándar.