Hoja de Datos del Fototransistor LTR-209 - Carcasa Transparente - Vce 30V - Potencia 100mW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-209 es un fototransistor de silicio NPN diseñado para aplicaciones de detección infrarroja. Se aloja en una carcasa de plástico transparente que permite una alta sensibilidad a la luz incidente, especialmente en el espectro infrarrojo. El dispositivo se caracteriza por su amplio rango de funcionamiento, fiabilidad y rentabilidad, lo que lo hace adecuado para diversos sistemas de detección y sensado.

1.1 Ventajas Principales

• Amplio Rango de Corriente de Colector:El dispositivo admite un amplio espectro de niveles de corriente de colector, proporcionando flexibilidad en el diseño del circuito y el ajuste de sensibilidad.
• Lente de Alta Sensibilidad:La lente integrada mejora la sensibilidad del dispositivo a la radiación infrarroja entrante, mejorando la relación señal-ruido.
• Carcasa de Plástico de Bajo Coste:Utiliza un encapsulado de plástico económico, reduciendo el coste total del sistema.
• Carcasa Transparente:La carcasa transparente maximiza la cantidad de luz que llega al área semiconductor activa, optimizando el rendimiento.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

La siguiente sección proporciona una interpretación objetiva y detallada de los principales parámetros eléctricos y ópticos especificados para el fototransistor LTR-209.

2.1 Especificaciones Máximas Absolutas

Estas especificaciones definen los límites más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento en o bajo estas condiciones.

• Disipación de Potencia (P_D):100 mW. Esta es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar en forma de calor a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C. Exceder este límite conlleva el riesgo de fuga térmica y fallo.
• Tensión Colector-Emisor (V_CEO):30 V. La tensión máxima que se puede aplicar entre los terminales de colector y emisor con la base abierta (solo fotocorriente).
• Tensión Emisor-Colector (V_ECO):5 V. La tensión inversa máxima aplicable entre emisor y colector.
• Rango de Temperatura de Funcionamiento:-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.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas:260°C durante 5 segundos a 1.6mm del cuerpo del paquete. Esto define el perfil térmico aceptable para procesos de soldadura manual o por ola.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

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

• Tensión de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO):30 V (Mín). Medida a I_C= 1mA con irradiancia cero (E_e= 0 mW/cm²). Esto confirma la especificación máxima absoluta.
• Tensión de Ruptura Emisor-Colector (V_(BR)ECO):5 V (Mín). Medida 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), medida a I_C= 100µA y E_e= 1 mW/cm². Un V_CE(SAT)más bajo es deseable para una menor pérdida de potencia.
• Tiempo de Subida (T_r) & Tiempo de Bajada (T_f):10 µs (Típ) y 15 µs (Típ) respectivamente. Estos parámetros definen la velocidad de conmutación del fototransistor. Medidos bajo condiciones de V_CC=5V, I_C=1mA, y R_L=1kΩ. La asimetría es común en fototransistores.
• Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO):100 nA (Máx). Esta es la corriente de fuga que fluye del colector al emisor cuando el dispositivo está en completa oscuridad (E_e= 0 mW/cm²) y V_CE= 10V. Una corriente de oscuridad baja es crítica para aplicaciones de alta sensibilidad para minimizar el ruido.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

El LTR-209 emplea un sistema de clasificación (binning) para su parámetro clave,Corriente de Colector en Estado Activo (I_C(ON)). El binning es un proceso de control de calidad donde los componentes se clasifican según su rendimiento medido en grupos o "bins" específicos. Esto permite a los diseñadores seleccionar un dispositivo con un rango de rendimiento garantizado adecuado para su aplicación.

3.1 Clasificación por Corriente de Colector en Estado Activo

La I_C(ON)se mide bajo condiciones estandarizadas: V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², y una longitud de onda de fuente infrarroja (λ) de 940nm. El dispositivo se clasifica en los siguientes bins según su corriente medida:

• BIN C:0.8 mA (Mín) a 2.4 mA (Máx)
• BIN D:1.6 mA (Mín) a 4.8 mA (Máx)
• BIN E:3.2 mA (Mín) a 9.6 mA (Máx)
• BIN F:6.4 mA (Mín) - No se especifica límite superior en este extracto de la hoja de datos.

Implicación de Diseño:Un circuito diseñado para dispositivos BIN C (corriente más baja) puede no funcionar correctamente si se usa un dispositivo BIN F (corriente más alta) sin recalibración, y viceversa. Especificar el código de bin es crucial para un rendimiento consistente del sistema.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran cómo varían los parámetros clave con las condiciones de funcionamiento. Estas son esenciales para comprender el comportamiento en el mundo real más allá de las especificaciones de un solo punto.

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

Este gráfico muestra que I_CEO(corriente de oscuridad) aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura ambiente (T_A). Por ejemplo, a 100°C, la corriente de oscuridad puede ser órdenes de magnitud mayor que a 25°C. Este es un comportamiento fundamental del semiconductor debido al aumento de la generación térmica de portadores de carga.Consideración de Diseño:En aplicaciones de alta temperatura, el aumento de la corriente de oscuridad puede convertirse en una fuente significativa de ruido, potencialmente enmascarando señales ópticas débiles. Puede ser necesario el manejo térmico o el acondicionamiento de señal.

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

Esta curva de reducción de potencia muestra la disipación de potencia máxima permitida (P_C) en función de T_A. La especificación máxima absoluta de 100 mW solo es válida a o por debajo de 25°C. A medida que T_Aaumenta, la capacidad del dispositivo para disipar calor disminuye, por lo que la potencia máxima permitida debe reducirse linealmente. A 85°C (la temperatura máxima de funcionamiento), la disipación de potencia permitida es significativamente menor.Consideración de Diseño:Los circuitos deben diseñarse para garantizar que la potencia real disipada (V_CE* I_C) no exceda el valor reducido a la temperatura de funcionamiento más alta esperada.

4.3 Tiempos de Subida/Bajada vs. Resistencia de Carga (Fig. 3)

Esta curva demuestra la compensación entre velocidad de conmutación y amplitud de señal. El tiempo de subida (T_r) y el tiempo de bajada (T_f) aumentan con una resistencia de carga (R_L) mayor. Una R_Lmayor proporciona un mayor rango de tensión de salida (ΔV = I_C* R_L) pero ralentiza el tiempo de respuesta del circuito porque la capacitancia de unión del transistor tarda más en cargarse/descargarse a través de la resistencia mayor.Consideración de Diseño:El valor de R_Ldebe elegirse en función de si la aplicación prioriza la respuesta de alta velocidad (R_Lmás baja) o la ganancia de tensión de salida alta (R_Lmás alta).

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

Este gráfico traza la corriente de colector normalizada frente a la densidad de potencia óptica incidente (irradiancia, E_e). Muestra una relación lineal en el rango trazado (0 a ~5 mW/cm²). Esta linealidad es una característica clave de los fototransistores utilizados en aplicaciones de sensado analógico, ya que la corriente de salida es directamente proporcional a la intensidad de la luz de entrada. La curva se muestra para V_CE= 5V.

4.5 Diagrama de Sensibilidad (Fig. 5)

Aunque los ejes exactos están abreviados, un "Diagrama de Sensibilidad" típicamente ilustra la respuesta espectral del detector. Los fototransistores de silicio como el LTR-209 son más sensibles a la luz en la región del infrarrojo cercano, con un pico alrededor de 800-950 nm. Esto los hace ideales para usar con emisores infrarrojos comunes (como LEDs con λ=940nm, como se referencia en la condición de prueba de binning) y para filtrar la interferencia de la luz visible.

5. Información Mecánica y de Empaquetado

5.1 Dimensiones del Paquete

El dispositivo utiliza un paquete de plástico de orificio pasante estándar. Las notas dimensionales clave de la hoja de datos incluyen:

• Todas las dimensiones están en milímetros (se proporcionan pulgadas entre paréntesis).
• Se aplica una tolerancia estándar de ±0.25mm (±.010") a menos que se especifique lo contrario.
• La protrusión máxima de resina debajo de la brida es de 1.5mm (.059").
• La separación de las patillas se mide en el punto donde las patillas salen del cuerpo del paquete, lo cual es crítico para el diseño de la huella en la PCB.

Identificación de Polaridad:La patilla más larga es típicamente el colector, y la más corta es el emisor. El lado plano en el borde del paquete también puede indicar el lado del emisor. Siempre verifique con el diagrama del paquete.

6. Guías de Soldadura y Montaje

La guía principal proporcionada es para soldadura manual o por ola: las patillas pueden someterse a una temperatura de 260°C durante un máximo de 5 segundos, medidos a una distancia de 1.6mm (.063") del cuerpo del paquete. Esto evita daños térmicos al dado semiconductor interno y al paquete de plástico.

Para Soldadura por Reflujo:Aunque no se establece explícitamente en esta hoja de datos, paquetes de plástico similares típicamente requieren un perfil conforme con los estándares JEDEC (por ejemplo, J-STD-020), con una temperatura máxima que generalmente no excede los 260°C. El nivel de sensibilidad a la humedad (MSL) específico y los requisitos de horneado no se proporcionan aquí y deben confirmarse con el fabricante.

Condiciones de Almacenamiento:El dispositivo debe almacenarse dentro del rango de temperatura especificado de -55°C a +100°C en un ambiente seco y no corrosivo. Para almacenamiento a largo plazo, se recomiendan precauciones antiestáticas.

7. Sugerencias de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección de Objetos y de Proximidad:Se utiliza junto con un LED IR para detectar la presencia, ausencia o proximidad de un objeto (por ejemplo, en máquinas expendedoras, impresoras, automatización industrial).
• Sensores de Ranura y Codificadores:Detectar interrupciones en un haz IR para contar objetos o medir la velocidad de rotación.
• Receptores de Control Remoto:Aunque son más lentos que los fotodiodos dedicados, pueden usarse en circuitos receptores IR simples y de bajo coste.
• Barreras de Luz y Sistemas de Seguridad:Crear un haz invisible para la detección de intrusiones.

7.2 Consideraciones de Diseño y Configuración del Circuito

La configuración de circuito más común es el modo deemisor común. El fototransistor se conecta con el colector a una fuente positiva (V_CC) a través de una resistencia de carga (R_L), y el emisor se conecta a tierra. La luz incidente provoca que fluya una fotocorriente (I_C), generando una tensión de salida (V_OUT) en el nodo del colector: V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). En oscuridad, V_OUTes alta (~V_CC). Cuando está iluminado, V_OUT drops.

Pasos Clave de Diseño:

1. Seleccionar R_L:Basándose en el rango de salida requerido (V_CC/I_C(ON)) y la velocidad deseada (ver Fig. 3). Valores entre 1kΩ y 10kΩ son comunes.
2. Considerar el Ancho de Banda:El valor de R_L, combinado con la capacitancia de unión del dispositivo, forma un filtro paso bajo. Para operación pulsada, asegúrese de que la constante de tiempo RC del circuito sea mucho más corta que el ancho del pulso.
3. Manejar la Luz Ambiente:Utilice filtrado óptico (un filtro oscuro o de paso IR sobre el sensor) para bloquear la luz visible no deseada y reducir el ruido.
4. Compensación de Temperatura:Para sensado analógico de precisión, considere la dependencia de la temperatura de la corriente de oscuridad (Fig. 1). Las técnicas incluyen usar un sensor de referencia oscuro emparejado en una configuración diferencial o implementar compensación por software.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con otros detectores ópticos:

• vs. Fotodiodo:Un fototransistor proporciona ganancia de corriente inherente (β o h_FE), lo que resulta en una corriente de salida mucho mayor para el mismo nivel de luz. Esto simplifica el diseño del circuito ya que se necesita menos amplificación posterior. Sin embargo, los fototransistores son generalmente más lentos (tiempos de subida/bajada más largos) y tienen un rango lineal más limitado que los fotodiodos.
• vs. Fotodarlington:Un fotodarlington ofrece una ganancia aún mayor que un fototransistor estándar, pero tiene tiempos de respuesta significativamente más lentos y una tensión de saturación (V_CE(SAT)) más alta. El LTR-209 ofrece un buen equilibrio entre ganancia, velocidad y caída de tensión.
• Característica Diferenciadora del LTR-209:Sucarcasa transparentey sulente integradason diferenciadores clave. Muchos fototransistores competidores usan carcasas de epoxi negro que atenúan la luz. La carcasa transparente del LTR-209 maximiza la sensibilidad, mientras que la lente ayuda a enfocar la luz entrante en el área activa, mejorando la direccionalidad y la fuerza de la señal.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

9.1 ¿Qué significa el código "BIN" y por qué es importante?

El código BIN (C, D, E, F) categoriza el dispositivo según su Corriente de Colector en Estado Activo (I_C(ON)) medida. Es crucial porque garantiza un rango de rendimiento específico. Usar un dispositivo del bin incorrecto podría hacer que su circuito sea poco sensible o demasiado sensible, provocando un mal funcionamiento. Especifique siempre el bin requerido al realizar el pedido.

9.2 ¿Puedo usar este sensor con una fuente de luz visible?

Aunque el material de silicio responde a la luz visible, su sensibilidad máxima está en el infrarrojo cercano (ver la Fig. 5 implícita). Para un rendimiento óptimo y evitar interferencias de la luz visible ambiente, se recomienda encarecidamente emparejarlo con un emisor infrarrojo (típicamente 850nm, 880nm o 940nm) y usar un filtro de paso IR en el detector.

9.3 ¿Cómo convierto la salida a una señal digital?

El método más simple es conectar la salida (nodo del colector) a la entrada de un inversor con disparador Schmitt o un comparador con histéresis. Esto convierte el rango de tensión analógico en una señal digital limpia, inmune al ruido. El umbral del comparador debe establecerse entre los niveles de tensión de salida "con luz" y "en oscuridad".

9.4 ¿Por qué mi salida es inestable en un entorno brillante y caluroso?

Esto probablemente se deba a los efectos combinados de una alta corriente de oscuridad (que aumenta con la temperatura según la Fig. 1) y la respuesta a la luz ambiente. Las soluciones incluyen: 1) Añadir un escudo físico o tubo para limitar el campo de visión, 2) Usar una fuente IR modulada y detección síncrona, 3) Implementar un circuito de polarización o compensación estable en temperatura.

10. Caso Práctico de Diseño

Escenario:Diseñar un sensor de detección de papel para una impresora.

Implementación:Un LED IR y el LTR-209 se colocan en lados opuestos del camino del papel, alineados para crear un haz. Cuando hay papel presente, bloquea el haz. El fototransistor se configura en modo emisor común con R_L= 4.7kΩ y V_CC= 5V.

Selección de Componentes y Cálculos:Seleccione un dispositivo del BIN D (I_C(ON)= 1.6-4.8mA). Sin papel (haz intacto), asuma I_C= 3mA (típico). V_OUT= 5V - (3mA * 4.7kΩ) = 5V - 14.1V = -9.1V. Esto es imposible, lo que significa que el transistor está saturado. En saturación, V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0.4V (una señal BAJA). Cuando el papel bloquea el haz, I_C≈ I_CEO(muy pequeña, ~nA), por lo que V_OUT≈ 5V (una señal ALTA). Un pin GPIO de un microcontrolador puede leer esta señal ALTA/BAJA directamente para detectar la presencia de papel. Se recomienda un condensador de desacoplo (por ejemplo, 100nF) en los pines de alimentación del sensor para filtrar el ruido.

11. Principio de Funcionamiento

Un fototransistor es un transistor de unión bipolar (BJT) donde la región de la base está expuesta a la luz. Los fotones incidentes con suficiente energía crean pares electrón-hueco en la unión base-colector. Estos portadores fotogenerados son arrastrados por el campo eléctrico interno, actuando efectivamente como una corriente de base. Esta "corriente de base óptica" es luego amplificada por la ganancia de corriente del transistor (h_FE), resultando en una corriente de colector mucho mayor. La magnitud de esta corriente de colector es proporcional a la intensidad de la luz incidente, proporcionando la función de sensado. La carcasa transparente y la lente del LTR-209 maximizan el número de fotones que llegan a la unión semiconductor sensible.

12. Tendencias Tecnológicas

Los fototransistores como el LTR-209 representan una tecnología madura y rentable. Las tendencias actuales en optoelectrónica incluyen:

• Integración:Avanzar hacia soluciones integradas que combinan el fotodetector, el amplificador y la lógica digital (por ejemplo, fotointerruptores con salida lógica incorporada) en un solo chip, reduciendo el número de componentes externos y mejorando la inmunidad al ruido.
• Dispositivos de Montaje Superficial (SMD):Aunque los paquetes de orificio pasante siguen siendo populares para prototipos y ciertas aplicaciones, hay un fuerte cambio en la industria hacia paquetes SMD más pequeños (por ejemplo, SMT-3) para montaje automatizado y diseños con espacio limitado.
• Rendimiento Mejorado:Desarrollo de dispositivos con tiempos de respuesta más rápidos, corrientes de oscuridad más bajas y mejor estabilidad térmica para aplicaciones más exigentes en automoción, industria y electrónica de consumo.
• Optimización para Aplicaciones Específicas:Los sensores se están adaptando para longitudes de onda específicas (por ejemplo, para monitoreo de frecuencia cardíaca en longitudes de onda IR específicas) o con filtros de luz diurna incorporados.

El principio de funcionamiento fundamental del fototransistor sigue siendo válido, y dispositivos como el LTR-209 continúan siendo una opción confiable para una amplia gama de necesidades de sensado básicas a intermedias debido a su simplicidad, robustez y bajo coste.