Hoja de Datos del Fototransistor LTR-306 - Encapsulado Lateral - Corriente de Colector hasta 2.4mA - Voltaje 30V - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTR-306 es un fototransistor de silicio NPN alojado en un encapsulado plástico de visión lateral. Este componente está diseñado para detectar radiación infrarroja, convirtiendo la luz incidente en una corriente eléctrica en su terminal de colector. Su función principal es actuar como sensor de luz en diversos circuitos electrónicos, donde funciona como un interruptor controlado por luz o como un sensor analógico de intensidad lumínica. La orientación del encapsulado lateral es una característica clave, lo que significa que el área sensible mira perpendicularmente a la dirección de las patillas, lo cual es óptimo para aplicaciones donde la fuente de luz se posiciona al lado de la PCB.

Las ventajas principales de este dispositivo incluyen su amplio rango de operación de corriente de colector, lo que brinda flexibilidad de diseño para diferentes requisitos de sensibilidad. La lente integrada está diseñada para mejorar la sensibilidad al enfocar la luz infrarroja entrante en la región activa del semiconductor. Además, el uso de un encapsulado plástico de bajo costo lo convierte en una opción económica para aplicaciones de consumo e industrial de alto volumen, donde la rentabilidad es crucial sin sacrificar parámetros de rendimiento esenciales.

El mercado objetivo del LTR-306 abarca un amplio espectro de aplicaciones que requieren detección infrarroja confiable. Esto incluye, pero no se limita a, sistemas de detección y conteo de objetos, sensores de ranura (por ejemplo, en impresoras y máquinas expendedoras), sensores de fin de cinta, detección de proximidad y equipos de automatización industrial. Su diseño robusto y rendimiento especificado lo hacen adecuado para integrarse tanto en sistemas electrónicos simples como complejos.

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los niveles de estrés más allá de los cuales puede ocurrir daño permanente al dispositivo. No se garantiza la operación bajo estas condiciones. La disipación de potencia máxima es de 100 mW a una temperatura ambiente (T_A) de 25°C. El voltaje colector-emisor (V_CE) no debe exceder los 30 V, mientras que el voltaje inverso emisor-colector (V_EC) está limitado a 5 V. El dispositivo está clasificado para operar dentro de un rango de temperatura ambiente de -40°C a +85°C y puede almacenarse en temperaturas desde -55°C hasta +100°C. Para soldadura, las patillas pueden soportar 260°C durante 5 segundos cuando se mide a 1.6mm del cuerpo del encapsulado, lo cual es un requisito estándar para procesos de soldadura por ola o reflujo.

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Todos los parámetros eléctricos y ópticos se especifican a T_A=25°C, proporcionando una línea base para la comparación de rendimiento.

• Voltaje de Ruptura Colector-Emisor (V_(BR)CEO):Mínimo 30V (I_C= 1mA, E_e=0). Este es el voltaje al cual la unión se rompe en ausencia de luz.
• Voltaje de Ruptura Emisor-Colector (V_(BR)ECO):Mínimo 5V (I_E= 100μA, E_e=0). Este parámetro es importante para condiciones de polarización inversa.
• Voltaje de Saturación Colector-Emisor (V_CE(SAT)):Típicamente 0.1V, con un máximo de 0.4V (I_C= 100μA, E_e=1 mW/cm²). Este bajo voltaje indica un buen rendimiento de conmutación cuando el transistor está completamente encendido.
• Tiempo de Subida (T_r) & Tiempo de Bajada (T_f):Máximo 20 μs cada uno (V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ). Estos parámetros definen la velocidad de conmutación del fototransistor en respuesta a un pulso de luz.
• Corriente de Oscuridad del Colector (I_CEO):Máximo 100 nA (V_CE= 10V, E_e=0). Esta es la corriente de fuga cuando no hay luz presente, un parámetro crítico para la sensibilidad en baja luz y la relación señal-ruido.

3. Explicación del Sistema de Clasificación (Binning)

El LTR-306 emplea un sistema de clasificación (binning) para su parámetro clave, la Corriente de Colector en Estado Encendido (I_C(ON)). El binning es un proceso de control de calidad y clasificación que agrupa componentes según su rendimiento medido dentro de rangos especificados. Esto asegura consistencia para el usuario final. El dispositivo se prueba bajo condiciones estándar (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ=940nm).

Las clasificaciones se etiquetan de la A a la F, cada una representando un rango específico de I_C(ON):

• Clasificación A:0.20 mA a 0.60 mA
• Clasificación B:0.40 mA a 1.08 mA
• Clasificación C:0.72 mA a 1.56 mA
• Clasificación D:1.04 mA a 1.80 mA
• Clasificación E:1.20 mA a 2.40 mA
• Clasificación F:Mínimo 1.60 mA (sin límite superior especificado en los datos proporcionados)

Este sistema permite a los diseñadores seleccionar una clasificación que coincida con la sensibilidad requerida por su circuito. Por ejemplo, un circuito que necesite una corriente de salida alta para accionar directamente un relé o un LED podría especificar la Clasificación E o F, mientras que un circuito de detección de baja potencia podría usar la Clasificación A o B para minimizar el consumo de energía.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos incluye varias curvas características típicas que ilustran cómo varían los parámetros clave con las condiciones de operación. Estas son esenciales para comprender el comportamiento del dispositivo más allá de las especificaciones de un solo punto.

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 -40°C, está en el rango de picoamperios, pero puede elevarse a alrededor de 100 μA a 120°C. Esta característica es crucial para aplicaciones de alta temperatura, ya que el aumento de la corriente de oscuridad actúa como una fuente de desplazamiento o ruido, reduciendo potencialmente la sensibilidad efectiva y el rango dinámico del sensor.

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

Este gráfico demuestra la reducción de la disipación de potencia máxima permitida a medida que aumenta la temperatura ambiente. Si bien el dispositivo puede disipar 100 mW a 25°C, esta clasificación debe reducirse linealmente a temperaturas más altas para prevenir la fuga térmica y garantizar la confiabilidad. La curva proporciona los datos necesarios para la gestión térmica en el diseño de la aplicación.

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

Este gráfico revela la compensación entre la velocidad de conmutación y la resistencia de carga. Los tiempos de subida y bajada (T_r, T_f) aumentan significativamente a medida que aumenta el valor de la resistencia de carga (R_L). Para una carga de 1kΩ, el tiempo es de alrededor de 20μs, pero puede superar los 150μs para una carga de 10kΩ. Los diseñadores deben elegir R_Lpara equilibrar la necesidad de un tiempo de respuesta rápido con la amplitud de voltaje de salida o el nivel de corriente deseado.

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

Esta es una característica de transferencia fundamental. Muestra que la corriente del colector es relativamente lineal con la irradiancia de la luz incidente (E_e) en el rango inferior (0-2 mW/cm²) cuando V_CEse mantiene en 5V. Esta región lineal es donde el dispositivo puede usarse para medición analógica de luz. A niveles de irradiancia más altos, la respuesta puede comenzar a saturarse.

4.5 Diagrama de Sensibilidad (Fig. 5)

Este diagrama polar ilustra la sensibilidad angular del fototransistor. La sensibilidad relativa se grafica contra el ángulo de la luz incidente. Muestra que el dispositivo tiene un ángulo de visión específico donde la sensibilidad es máxima (típicamente en el eje, 0°). La sensibilidad disminuye a medida que la fuente de luz se aleja del eje. Este diagrama es vital para la alineación mecánica en la aplicación final para garantizar un acoplamiento óptimo entre la fuente de luz y el sensor.

5. Información Mecánica y de Encapsulado

El LTR-306 utiliza un encapsulado plástico de visión lateral. Las dimensiones se proporcionan en la hoja de datos con todas las medidas en milímetros (pulgadas entre paréntesis). Las tolerancias dimensionales clave son típicamente ±0.25mm a menos que se especifique lo contrario. El espaciado de las patillas se mide en el punto donde emergen del cuerpo del encapsulado, lo cual es crítico para el diseño de la huella en la PCB. El encapsulado incluye una lente moldeada en el plástico para mejorar la eficiencia de recolección óptica. La orientación lateral significa que el área sensible activa está en el costado del componente, no en la parte superior. La identificación clara de polaridad (patillas de emisor y colector) se proporciona en el dibujo del encapsulado, lo cual es esencial para el montaje correcto de la placa de circuito.

6. Directrices de Soldadura y Montaje

El dispositivo es adecuado para procesos estándar de montaje en PCB. El límite absoluto máximo especifica que las patillas pueden soportar una temperatura de soldadura de 260°C durante 5 segundos cuando se mide a 1.6mm (0.063") del cuerpo del encapsulado. Esta clasificación es compatible con perfiles típicos de soldadura por ola y reflujo. Se recomienda seguir las directrices estándar JEDEC o IPC para el manejo de sensibilidad a la humedad si es aplicable, aunque el encapsulado plástico es generalmente robusto. Durante la soldadura, se debe tener cuidado para evitar un estrés térmico excesivo en el encapsulado. Después del montaje, la limpieza debe realizarse con solventes compatibles con el material plástico. Para el almacenamiento, se debe observar el rango especificado de -55°C a +100°C, y los componentes generalmente se suministran en bolsas con barrera de humedad y desecante.

7. Recomendaciones de Aplicación

7.1 Escenarios de Aplicación Típicos

• Detección/Interrupción de Objetos:Se usa en pares con un LED infrarrojo para detectar la presencia o ausencia de un objeto que interrumpe el haz. Común en impresoras, copiadoras, máquinas expendedoras y contadores industriales.
• Detección de Proximidad:Detectando el reflejo de la luz infrarroja de un objeto cercano.
• Barreras Ópticas/Sensores de Ranura:Detectando el borde de una cinta, papel u otro material.
• Codificadores:Usados en codificadores ópticos rotativos o lineales para leer patrones en una rueda o tira de código.
• Receptores de Control Remoto Simples:Para detección básica de comandos infrarrojos (aunque los módulos receptores dedicados son más comunes para protocolos complejos).

7.2 Consideraciones de Diseño

• Polarización:El fototransistor puede usarse en dos configuraciones comunes: modo interruptor (con una resistencia de pull-up) o modo analógico (en una configuración de amplificador de emisor común). El valor de la resistencia de carga (R_L) afecta críticamente tanto al voltaje/corriente de salida como a la velocidad de respuesta (ver Fig. 3).
• Inmunidad a la Luz Ambiente:Para una operación confiable en entornos con luz ambiente variable (por ejemplo, luz solar, luces de habitación), a menudo es necesaria la modulación de la fuente infrarroja y el filtrado o demodulación correspondiente de la señal del fototransistor.
• Lente y Alineación:La alineación mecánica adecuada entre el emisor infrarrojo y el fototransistor, considerando su orientación lateral y patrón de sensibilidad angular (Fig. 5), es esencial para maximizar la fuerza de la señal y la confiabilidad.
• Efectos de la Temperatura:El diseño debe tener en cuenta la variación de la corriente de oscuridad (Fig. 1) y la sensibilidad con la temperatura, especialmente en entornos exteriores o severos.
• Ruido Eléctrico:En circuitos analógicos sensibles, puede ser necesario el blindaje y una conexión a tierra adecuada para evitar la captación de ruido en el nodo de alta impedancia del fototransistor.

8. Comparación y Diferenciación Técnica

En comparación con un fotodiodo estándar, un fototransistor como el LTR-306 proporciona ganancia interna, lo que resulta en una corriente de salida mucho mayor para la misma entrada de luz. Esto elimina la necesidad de un amplificador de transimpedancia externo en muchos circuitos de detección simples, reduciendo el número de componentes y el costo. En comparación con otros fototransistores, las ventajas específicas del LTR-306 radican en suencapsulado lateral, que es un factor de forma mecánico distintivo adecuado para trayectorias ópticas específicas, suamplia clasificación de corriente de colectorque ofrece flexibilidad, y sulente integrada para mayor sensibilidad. Sus tiempos de subida/bajada y clasificaciones de voltaje especificados lo convierten en un componente robusto de propósito general para aplicaciones de velocidad media.

9. Preguntas Frecuentes (Basadas en Parámetros Técnicos)

P: ¿Qué significa el código de clasificación (A, B, C, etc.) para mi diseño?

R: El código de clasificación indica el rango garantizado de corriente de colector que producirá el dispositivo bajo condiciones de prueba estándar. Elija una clasificación que proporcione suficiente corriente de señal para su circuito posterior (por ejemplo, comparador, ADC de microcontrolador) considerando también el consumo de energía. Las clasificaciones más altas (E, F) dan más corriente pero pueden tener una corriente de oscuridad ligeramente mayor.

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

R: La luz solar directa contiene una cantidad significativa de radiación infrarroja que saturará el sensor y lo hará inutilizable para detectar una fuente de IR separada. Para uso en exteriores, el filtrado óptico (un filtro paso IR que bloquee la luz visible) y/o fuentes de luz moduladas con detección síncrona son obligatorios.

P: ¿Por qué el tiempo de subida/bajada depende de la resistencia de carga?

R: La velocidad del fototransistor está limitada por la constante de tiempo RC formada por su capacitancia de unión y la resistencia de carga (R_L). Una R_Lmás grande crea una constante de tiempo mayor, ralentizando el cambio de voltaje en el colector, aumentando así los tiempos de subida y bajada. Para una respuesta más rápida, use una R_Lmás pequeña, pero esto también reducirá la amplitud del voltaje de salida.

P: ¿Cómo interpreto el diagrama de sensibilidad?

R: El diagrama muestra la respuesta relativa del sensor a la luz proveniente de diferentes ángulos. Un valor de 1.0 (o 100%) está típicamente en 0° (directamente hacia la lente). La curva muestra cuánto disminuye la señal si la fuente de luz está desalineada. Úselo para diseñar la carcasa mecánica y las características de alineación en su producto.

10. Ejemplo Práctico de Diseño

Escenario: Diseñar un Sensor de Presencia de Papel para una Impresora.Un LED infrarrojo se coloca en un lado del camino del papel, y el LTR-306 se coloca directamente opuesto, creando un haz. Cuando no hay papel, la luz IR golpea el fototransistor, encendiéndolo y llevando su voltaje de colector a bajo. Cuando pasa el papel, bloquea el haz, el fototransistor se apaga y su voltaje de colector sube (a través de una resistencia de pull-up). Esta transición de voltaje es detectada por un microcontrolador.

Pasos de Diseño:

1. Seleccione una clasificación apropiada (por ejemplo, Clasificación C) para asegurar un cambio de corriente lo suficientemente fuerte para accionar de manera confiable la resistencia de pull-up elegida en todo el rango de temperatura de operación esperado.

2. Elija una resistencia de carga/pull-up (R_L). Una resistencia de 4.7kΩ con una fuente de 5V daría una buena amplitud de voltaje. Consulte la Fig. 3 para asegurarse de que el tiempo de respuesta resultante de ~100μs sea lo suficientemente rápido para la velocidad del papel.

3. Diseñe mecánicamente el soporte para que el LED y el LTR-306 estén alineados según el eje de 0° en el diagrama de sensibilidad (Fig. 5). El encapsulado lateral simplifica esto ya que ambos componentes pueden montarse planos en la PCB enfrentándose.

4. Implemente el controlador del LED IR con modulación (por ejemplo, una onda cuadrada de 1kHz) para hacer al sensor inmune a la luz IR ambiente constante. El microcontrolador leería entonces la señal del sensor de forma síncrona con esta modulación.

11. Principio de Funcionamiento

Un fototransistor es un transistor de unión bipolar donde la región de la base está expuesta a la luz. En el LTR-306 (tipo NPN), los fotones incidentes con suficiente energía (luz infrarroja a ~940nm) son absorbidos en la unión base-colector, generando pares electrón-hueco. Estos portadores fotogenerados son separados por el campo eléctrico en la unión base-colector polarizada inversamente. La fotocorriente resultante actúa como una corriente de base para el transistor. Debido a la ganancia de corriente del transistor (beta/h_FE), esta pequeña fotocorriente se amplifica, produciendo una corriente de colector mucho mayor. Esta amplificación interna es la diferencia clave con un fotodiodo. La corriente del colector es principalmente proporcional a la intensidad de la luz incidente y a la ganancia del dispositivo.

12. Tendencias Tecnológicas

Fototransistores como el LTR-306 representan una tecnología madura y rentable para la detección simple de luz. Las tendencias actuales en optoelectrónica incluyen la integración de fototransistores con circuitos de amplificación y acondicionamiento de señal en el mismo chip para crear sensores de salida digital o sensores analógicos con linealidad mejorada y compensación de temperatura. También hay un movimiento hacia la miniaturización y encapsulados de montaje superficial con huellas aún más pequeñas. Para aplicaciones de mayor velocidad y más precisas, a menudo se prefieren fotodiodos con amplificadores de transimpedancia externos o circuitos integrados ópticos dedicados. Sin embargo, para tareas de detección básicas, de bajo costo y de velocidad media, los fototransistores discretos siguen siendo muy relevantes debido a su simplicidad, robustez y bajo número de componentes.