Hoja de Datos del Fototransistor LTR-1650D - Dimensiones del Encapsulado 5.0x4.0x3.2mm - Voltaje 30V - Potencia 100mW - Encapsulado Transparente Oscuro - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-1650D es un fototransistor de silicio NPN diseñado para aplicaciones de detección infrarroja. Está encapsulado en plástico transparente oscuro de bajo coste, que permite filtrar eficazmente la luz visible mientras transmite longitudes de onda infrarrojas, principalmente alrededor de 940nm. La lente integrada mejora la sensibilidad del dispositivo al enfocar la radiación infrarroja incidente en el área activa del transistor. Este componente está diseñado para ofrecer fiabilidad y rendimiento en un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, lo que lo hace adecuado para diversos sistemas de detección y control.

2. Características Clave y Ventajas Principales

• Amplio Rango de Corriente de Colector:El dispositivo ofrece múltiples categorías de rendimiento (de la A a la F) que proporcionan una amplia selección de corriente de colector en estado activo (IC(ON)), desde un mínimo de 0.2mA hasta más de 9.6mA, permitiendo a los diseñadores seleccionar una pieza que se ajuste a requisitos de sensibilidad específicos.
• Lente de Alta Sensibilidad:La lente de epoxi integrada aumenta el área de captación efectiva para la luz infrarroja, mejorando la relación señal-ruido y la responsividad general.
• Encapsulado Plástico Rentable:Utiliza una carcasa plástica estándar y económica para producción en masa y amplia adopción en el mercado.
• Encapsulado Transparente Oscuro Especial:El material del encapsulado está teñido para atenuar la luz visible, reduciendo la interferencia de fuentes de luz ambiente y mejorando el rendimiento en entornos con condiciones de luz fluctuantes.

3. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

3.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones.

• Disipación de Potencia (P_D):100 mW a T_A=25°C. Esta es la potencia máxima que el dispositivo puede disipar de forma segura en forma de calor.
• Voltaje Colector-Emisor (V_CEO):30 V. El voltaje máximo que se puede aplicar entre los terminales de colector y emisor con la base abierta.
• Voltaje Emisor-Colector (V_ECO):5 V. El voltaje inverso máximo aplicable entre emisor y colector.
• Rango de Temperatura de Funcionamiento (T_opr):-40°C a +85°C. El rango de temperatura ambiente en el que se especifica que el dispositivo debe operar.
• Rango de Temperatura de Almacenamiento (T_stg):-55°C a +100°C.
• Temperatura de Soldadura de las Patillas:260°C durante 5 segundos a una distancia de 1.6mm del cuerpo del encapsulado. Esto es crítico para procesos de soldadura por ola o de reflujo.

3.2 Características Eléctricas y Ópticas (T_A=25°C)

Los siguientes parámetros se prueban bajo condiciones específicas y definen el rendimiento del dispositivo.

• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO):30 V (Mín). Probado con I_C= 1mA sin irradiancia (E_e= 0 mW/cm²).
• Voltaje de Ruptura Emisor-Colector (V_(BR)ECO):5 V (Mín). Probado con I_E= 100µA sin irradiancia.
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):0.4 V (Máx). La caída de voltaje a través del transistor cuando está completamente "encendido", probado con I_C= 100µA y E_e= 1 mW/cm². Un V_CE(SAT)bajo es deseable para una conmutación eficiente.
• Tiempo de Subida (T_r) y Tiempo de Bajada (T_f):10 µs (Típ). Estos parámetros de velocidad de conmutación se miden con V_CC=5V, I_C=1mA y R_L=1kΩ. Determinan la rapidez con la que el fototransistor puede responder a cambios en la intensidad de la luz.
• Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO):100 nA (Máx). Esta es la corriente de fuga que fluye a través del colector cuando el dispositivo está en completa oscuridad (E_e= 0 mW/cm²) con V_CE= 10V. Una corriente de oscuridad baja es esencial para una buena relación señal-ruido en detección con poca luz.

3.3 Sistema de Clasificación por Corriente de Colector en Estado Activo (I_C(ON))

El LTR-1650D se clasifica en diferentes categorías (bins) según su sensibilidad, definida por la Corriente de Colector en Estado Activo medida en condiciones estandarizadas (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm). Esto permite una selección precisa basada en los requisitos de ganancia de la aplicación.

• Categoría A:0.2 - 0.6 mA
• Categoría B:0.4 - 1.2 mA
• Categoría C:0.8 - 2.4 mA
• Categoría D:1.6 - 4.8 mA
• Categoría E:3.2 - 9.6 mA
• Categoría F:6.4 mA (Mín)

Los diseñadores deben consultar el código de categoría específico al realizar el pedido para asegurar que el fototransistor cumple con las necesidades de sensibilidad y corriente de salida del circuito.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que ilustran cómo varían los parámetros clave con las condiciones ambientales y eléctricas.

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. Este es un comportamiento fundamental de los semiconductores donde los portadores de carga generados térmicamente se vuelven más prevalentes. En aplicaciones de alta temperatura, esta corriente de fuga aumentada puede convertirse en una fuente significativa de ruido y debe tenerse en cuenta en el diseño del umbral del amplificador de detección.

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

El gráfico muestra la reducción de la disipación de potencia máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. A 25°C, el dispositivo puede manejar 100mW. A medida que la temperatura sube, esta especificación disminuye linealmente. Para un funcionamiento fiable por encima de 25°C, la potencia real disipada (V_CE* I_C) debe mantenerse por debajo de la curva de reducción. Esto es crucial para prevenir la fuga térmica y garantizar la fiabilidad a largo plazo.

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

Esta curva demuestra la compensación entre la velocidad de conmutación y la resistencia de carga (R_L). Los tiempos de subida y bajada aumentan con resistencias de carga más grandes. Esto se debe a que una R_Lmayor crea una constante de tiempo RC mayor con la capacitancia de unión del fototransistor. Para aplicaciones que requieren detección rápida de pulsos, se debe usar una resistencia de carga más pequeña, aunque a costa de una reducción en la excursión del voltaje de salida.

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

Este gráfico muestra la relación entre la irradiancia infrarroja incidente (E_e) y la corriente de colector resultante. La respuesta es generalmente lineal en un cierto rango, lo cual es ideal para aplicaciones de detección de luz analógica. La pendiente de esta línea representa la responsividad del dispositivo. Comprender esta característica es clave para calibrar la salida del sensor a un nivel específico de intensidad de luz.

4.5 Diagrama de Sensibilidad (Fig. 5)

Este diagrama polar ilustra la dependencia angular de la sensibilidad del fototransistor. La sensibilidad es típicamente más alta cuando la luz infrarroja incide perpendicularmente a la lente (0°). Disminuye a medida que aumenta el ángulo de incidencia. Esta característica es vital para diseñar la trayectoria óptica en una aplicación, como asegurar una alineación adecuada en un interruptor óptico tipo ranura o definir el campo de visión para un sensor de proximidad.

5. Información Mecánica y del Encapsulado

5.1 Dimensiones del Encapsulado

El dispositivo utiliza un encapsulado radial con patillas estándar de 3mm (T-1). Las dimensiones clave incluyen:

• Diámetro del cuerpo del encapsulado: Aproximadamente 5.0mm.
• Altura del encapsulado: Aproximadamente 3.2mm (excluyendo las patillas).
• Separación entre patillas: Medida donde las patillas emergen del encapsulado, típicamente 2.54mm (0.1").
• Se permite una protuberancia máxima de resina de 1.5mm bajo la brida.

Nota:Todas las dimensiones están en milímetros con una tolerancia estándar de ±0.25mm a menos que se especifique lo contrario. Los diseñadores deben consultar el plano mecánico detallado para una planificación precisa de la huella y la colocación.

5.2 Identificación de Polaridad

El fototransistor tiene dos patillas: el Colector y el Emisor. La patilla más larga es típicamente el Colector. El encapsulado también puede tener un lado plano u otra marca cerca de la patilla del Colector. La polaridad correcta es esencial para el funcionamiento adecuado del circuito y la aplicación del voltaje de polarización correcto.

6. Guías de Soldadura y Montaje

• Soldadura Manual:Utilice un soldador con control de temperatura. Limite el tiempo de soldadura para evitar una transferencia de calor excesiva al dado semiconductor.
• Soldadura por Ola/Reflujo:Cumpla estrictamente con el límite máximo: 260°C durante 5 segundos, medido a 1.6mm del cuerpo del encapsulado. Exceder esto puede dañar los alambres de unión internos o el encapsulado de epoxi.
• Limpieza:Utilice disolventes apropiados compatibles con la resina epoxi transparente oscura. Evite la limpieza ultrasónica a menos que se verifique que es segura para el encapsulado.
• Almacenamiento:Almacene en un entorno seco y antiestático dentro del rango de temperatura especificado de -55°C a +100°C para prevenir la absorción de humedad (que puede causar "efecto palomita" durante el reflujo) y daños por descarga electrostática.

7. Sugerencias de Aplicación y Consideraciones de Diseño

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección e Interrupción de Objetos:Utilizado en interruptores ópticos tipo ranura (ej., detección de papel en impresoras, sensado de fin de carrera en impresoras 3D).
• Sensado de Proximidad:Emparejado con un LED infrarrojo para detección sin contacto de objetos.
• Codificadores:Detección de patrones en discos giratorios para medición de velocidad o posición.
• Control Industrial:Sensado en equipos automatizados donde se requiere inmunidad a la luz ambiente.
• Electrónica de Consumo:Receptores de control remoto por IR (aunque a menudo se usan con CI dedicados, un fototransistor puede formar la etapa frontal).

7.2 Consideraciones de Diseño Críticas

• Circuito de Polarización:El fototransistor puede usarse en configuración de interruptor (emisor común) o de seguidor (seguidor de emisor). La configuración de emisor común proporciona ganancia de voltaje y es común para conmutación digital. Se requiere una resistencia de pull-up (R_L).
• Selección de R_L:El valor de la resistencia de carga implica una compensación. Una R_Lmayor da una excursión de voltaje de salida mayor para una fotocorriente dada, pero ralentiza la velocidad de conmutación (ver Fig. 3). Elija según la velocidad y el nivel de señal requeridos.
• Rechazo de Luz Ambiente:Aunque el encapsulado oscuro ayuda, fuentes fuertes de IR ambiente (luz solar, bombillas incandescentes) pueden saturar el sensor. Considere usar filtros ópticos, modular la fuente IR y usar técnicas de detección síncrona.
• Compensación de Temperatura:Para sensado analógico de precisión, la variación de la corriente de oscuridad y la sensibilidad con la temperatura (Figs. 1 y 2) debe compensarse en el circuito de acondicionamiento de señal.
• Ruido Eléctrico:El nodo de alta impedancia en el colector puede ser susceptible a interferencias electromagnéticas (EMI). Mantenga las trazas cortas, use blindaje si es necesario y considere añadir un capacitor pequeño (ej., 10-100pF) en paralelo con R_Lpara filtrar ruido de alta frecuencia, teniendo en cuenta su impacto en la velocidad.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con un fotodiodo básico, un fototransistor como el LTR-1650D proporciona ganancia interna, produciendo una corriente de salida mucho mayor para la misma entrada de luz, lo que a menudo elimina la necesidad de un amplificador externo adicional en aplicaciones de conmutación simples. En comparación con un transistor foto-Darlington, ofrece tiempos de respuesta más rápidos (µs frente a decenas/cientos de µs) pero menor ganancia. El sistema de clasificación específico para I_C(ON)permite un diseño de sistema más ajustado en comparación con dispositivos con una única especificación amplia. El encapsulado transparente oscuro es un diferenciador clave frente a los encapsulados transparentes, ofreciendo supresión de luz visible incorporada.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

9.1 ¿Qué significa la especificación "BIN" y cómo elijo?

El código BIN (de la A a la F) especifica el rango garantizado de sensibilidad del fototransistor (I_C(ON)). Elija una categoría basándose en la corriente de salida requerida para su nivel específico de irradiancia. Para aplicaciones de mayor sensibilidad/niveles de luz más bajos, seleccione una categoría con letra más alta (ej., E o F). Para aplicaciones sensibles al coste donde la alta ganancia no es crítica, una categoría más baja (A o B) puede ser suficiente.

9.2 ¿Por qué es importante la corriente de oscuridad?

La corriente de oscuridad (I_CEO) es la señal de salida presente cuando no incide luz. Establece el límite inferior de luz detectable y actúa como una fuente de ruido. En aplicaciones de conmutación digital, el umbral de detección del circuito debe establecerse por encima de la corriente de oscuridad máxima esperada, especialmente a altas temperaturas donde aumenta significativamente.

9.3 ¿Cómo afecta la resistencia de carga al rendimiento?

La resistencia de carga (R_L) afecta directamente a dos parámetros clave:Voltaje de Salida(V_out= I_C* R_L) yVelocidad de Conmutación(ver Fig. 3). Debe seleccionar R_Lpara lograr la excursión de voltaje necesaria para sus niveles lógicos o entrada ADC, asegurando también que los tiempos de subida/bajada sean lo suficientemente rápidos para la tasa de datos o tiempo de respuesta de su aplicación.

9.4 ¿Puedo usarlo bajo luz solar intensa?

El encapsulado transparente oscuro proporciona cierto rechazo, pero la luz solar directa contiene radiación infrarroja intensa que puede saturar fácilmente el sensor. Para uso en exteriores, son obligatorias medidas adicionales: sombreado físico (capuchas), filtros ópticos de banda estrecha centrados en la longitud de onda de su fuente IR (ej., 940nm) y, preferiblemente, usar una fuente IR modulada con detección síncrona en el circuito receptor para distinguir la señal del componente DC constante de la luz solar.

10. Caso Práctico de Diseño y Uso

Escenario: Diseñar un Sensor de Detección de Papel para una Impresora.

1. Selección:Elija una categoría de sensibilidad media (ej., Categoría C o D) para asegurar un disparo fiable sin ser excesivamente sensible al polvo o reflejos.
2. Configuración del Circuito:Use una configuración de interruptor de emisor común. Empareje el LTR-1650D con un LED infrarrojo (ej., 940nm) colocado en el lado opuesto de la trayectoria del papel.
3. Dimensionamiento de Componentes:Seleccione un valor de R_L(ej., 4.7kΩ) que proporcione una salida lógica baja (cerca de 0V) cuando hay papel (bloquea la luz, I_Ces baja) y una salida lógica alta (cerca de V_CC) cuando no hay papel (luz presente, I_Ces alta). Verifique que los niveles de voltaje sean compatibles con los pines de entrada del microcontrolador.
4. Inmunidad al Ruido:Añada un capacitor de 10nF en paralelo con R_Lpara suprimir el ruido eléctrico de los motores de la impresora. La velocidad resultante (~100µs) sigue siendo mucho más rápida que el movimiento mecánico del papel.
5. Alineación:Use el diagrama de sensibilidad (Fig. 5) para guiar el diseño mecánico. Asegúrese de que el LED IR y el fototransistor estén alineados dentro del cono de alta sensibilidad (ej., ±20°) para maximizar la fuerza de la señal.
6. Pruebas:Pruebe el sensor en las peores condiciones: alta temperatura (para verificar el aumento de la corriente de oscuridad) y con varios tipos de papel (algunos pueden ser más translúcidos al IR).

11. 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 ser suministrada eléctricamente. Los fotones incidentes con energía mayor que el bandgap del semiconductor son absorbidos en la región de unión base-colector, creando pares electrón-hueco. El campo eléctrico en la unión colector-base polarizada inversamente barre estos portadores, generando efectivamente una fotocorriente que actúa como corriente de base (I_B). Esta corriente de base fotogenerada es luego amplificada por la ganancia de corriente del transistor (h_FE), resultando en una corriente de colector mucho mayor (I_C= h_FE* I_B). Esta amplificación interna es la ventaja clave sobre un simple fotodiodo. El material del encapsulado transparente oscuro actúa como un filtro de paso largo, permitiendo que pasen longitudes de onda infrarrojas (como 940nm) mientras absorbe longitudes de onda visibles más cortas, mejorando así la relación señal-ruido en entornos con luz visible.

12. Tendencias y Evolución de la Industria

El sector de la optoelectrónica continúa evolucionando. Si bien los fototransistores discretos como el LTR-1650D siguen siendo vitales para aplicaciones sensibles al coste, de alto volumen o de rendimiento específico, las tendencias más amplias incluyen:

• Integración:Mayor integración del fotodetector con amplificadores de etapa frontal analógica, convertidores analógico-digitales (ADC) y lógica digital en soluciones de un solo chip (ej., sensores de luz ambiente, módulos de sensor de proximidad). Estos ofrecen salida digital calibrada, huella más pequeña y diseño simplificado, pero pueden tener un coste unitario más alto.
• Miniaturización:Demanda de tamaños de encapsulado más pequeños (ej., encapsulados a escala de chip) para caber en la electrónica de consumo cada vez más reducida.
• Rendimiento Mejorado:Desarrollo de dispositivos con corrientes de oscuridad más bajas, tiempos de respuesta más rápidos (en el rango de nanosegundos) y mayor sensibilidad para aplicaciones más exigentes como LiDAR y comunicación de alta velocidad.
• Especialización:Sensores adaptados para longitudes de onda específicas (ej., para monitorización de frecuencia cardíaca, detección de gases) o con filtros espectrales incorporados.

Los fototransistores discretos probablemente mantendrán su posición en aplicaciones donde su simplicidad, robustez, bajo coste y características de rendimiento específicas (como el encapsulado oscuro del LTR-1650D) proporcionan una solución óptima.