Hoja de Datos del Fotodiodo de Silicio PIN PD15-22B/TR8 - Carcasa 3.5x4.0x1.65mm - Tensión Inversa 32V - Lente Negro - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El PD15-22B/TR8 es un fotodiodo de silicio PIN de alta velocidad y alta sensibilidad, diseñado para aplicaciones que requieren detección óptica rápida. Se presenta en un encapsulado SMD (dispositivo de montaje superficial) miniatura de tapa plana, con moldeado de plástico negro y una lente negra. El dispositivo está adaptado espectralmente a fuentes de luz visible e infrarrojo cercano, lo que lo hace adecuado para una variedad de aplicaciones de detección.

Las ventajas clave de este componente incluyen su tiempo de respuesta rápido, que le permite detectar cambios rápidos en la intensidad de la luz, y su alta fotosensibilidad, permitiendo un funcionamiento fiable incluso en condiciones de poca luz. La pequeña capacitancia de unión contribuye a su rendimiento de alta velocidad. El producto cumple con los estándares medioambientales, siendo libre de plomo (Pb-free), compatible con RoHS, compatible con REACH de la UE y libre de halógenos (con Bromo <900 ppm, Cloro <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

2. Análisis en Profundidad de Parámetros Técnicos

2.1 Límites Absolutos Máximos

El dispositivo está diseñado para operar de forma fiable dentro de los límites especificados. Exceder estos Límites Absolutos Máximos puede causar daños permanentes.

• Tensión Inversa (VR):32 V. Esta es la tensión máxima que se puede aplicar en condición de polarización inversa sin causar ruptura.
• Temperatura de Operación (Topr):-40°C a +85°C. Esto define el rango de temperatura ambiente para el funcionamiento normal del dispositivo.
• Temperatura de Almacenamiento (Tstg):-40°C a +100°C. El dispositivo puede almacenarse dentro de este rango cuando no está en operación.
• Temperatura de Soldadura (Tsol):260°C durante un máximo de 5 segundos. Esto es crítico para los procesos de soldadura por reflujo.
• Disipación de Potencia (Pc):150 mW. La potencia máxima que el dispositivo puede disipar de forma segura.
• Nivel ESD HMB:Mínimo 2000V. Indica la robustez del dispositivo contra descargas electrostáticas utilizando el Modelo de Cuerpo Humano.

2.2 Características Electro-Ópticas

Estos parámetros se miden a Ta=25°C y definen el rendimiento central del fotodiodo.

• Ancho de Banda Espectral (λ):730 nm a 1100 nm (al 10% de la sensibilidad máxima). El dispositivo responde a la luz dentro de este rango de longitudes de onda, con sensibilidad máxima en el infrarrojo cercano.
• Longitud de Onda de Sensibilidad Máxima (λP):Típicamente 940 nm. La longitud de onda a la que el fotodiodo es más sensible.
• Tensión en Circuito Abierto (VOC):Típicamente 0.41 V bajo una irradiancia (Ee) de 5 mW/cm² a λP=940nm. Esta es la tensión generada cuando los terminales están en circuito abierto.
• Corriente de Cortocircuito (ISC):Mínimo 4.0 μA, Típico 6.5 μA bajo Ee=1 mW/cm² a λP=875nm. Esta es la corriente generada cuando los terminales están en cortocircuito.
• Corriente Luminosa Inversa (IL):Mínimo 4.2 μA, Típico 6.5 μA bajo Ee=1 mW/cm² a λP=875nm y VR=5V. Esta es la fotocorriente generada cuando el diodo está polarizado en inversa, que es el modo de operación típico para aplicaciones de alta velocidad.
• Corriente Inversa de Oscuridad (ID):Máximo 10 nA a VR=10V en completa oscuridad. Esta es la pequeña corriente de fuga que fluye incluso cuando no hay luz presente.
• Tensión de Ruptura Inversa (BVR):Mínimo 32 V, Típico 170 V medido a una corriente inversa (IR) de 100 μA en oscuridad.
• Tiempo de Subida/Bajada (tr, tf):Típicamente 10 ns cada uno bajo VR=5V y RL=1000 Ω. Esto define la velocidad de conmutación del fotodiodo.
• Ángulo de Visión (2θ1/2):Típicamente 130 grados a VR=5V. Esto indica un amplio campo de visión para la detección de luz.

3. Análisis de Curvas de Rendimiento

La hoja de datos proporciona varias curvas características que son esenciales para los ingenieros de diseño.

3.1 Sensibilidad Espectral

La curva de respuesta espectral muestra la sensibilidad relativa del fotodiodo a través de diferentes longitudes de onda. Confirma la sensibilidad máxima alrededor de 940 nm, con una respuesta útil desde 730 nm hasta 1100 nm. Esto lo convierte en una coincidencia ideal para emisores infrarrojos como los de 850nm o 940nm comúnmente utilizados en mandos a distancia, sensores de proximidad y enlaces de comunicación de datos.

3.2 Corriente de Oscuridad vs. Temperatura Ambiente

Esta curva ilustra cómo la corriente de oscuridad (ID) aumenta exponencialmente con el aumento de la temperatura ambiente. A 25°C, está por debajo de 10 nA, pero puede aumentar significativamente a temperaturas más altas (por ejemplo, 85°C). Los diseñadores deben tener en cuenta este aumento del piso de ruido en aplicaciones de alta temperatura o cuando es necesario detectar niveles de luz muy bajos.

3.3 Corriente Luminosa Inversa vs. Irradiancia

Este gráfico muestra la relación lineal entre la corriente luminosa inversa (IL) y la irradiancia de la luz incidente (Ee). El fotodiodo exhibe una buena linealidad, lo que significa que la corriente de salida es directamente proporcional a la intensidad de la luz en su rango de operación. Esto es crucial para aplicaciones de detección de luz analógica donde se requiere una medición precisa de la intensidad.

3.4 Capacitancia Terminal vs. Tensión Inversa

La capacitancia de unión disminuye a medida que aumenta la tensión de polarización inversa (VR). Una capacitancia más baja es deseable para operación de alta velocidad, ya que reduce la constante de tiempo RC del circuito. La curva muestra que aplicar una polarización inversa más alta (por ejemplo, 10V en lugar de 5V) puede reducir significativamente la capacitancia, mejorando así el ancho de banda y el tiempo de respuesta.

3.5 Tiempo de Respuesta vs. Resistencia de Carga

Esta curva demuestra la compensación entre la velocidad de respuesta y la amplitud de la señal. El tiempo de subida/bajada aumenta con una mayor resistencia de carga (RL). Para la respuesta más rápida, se debe usar una resistencia de carga de bajo valor (por ejemplo, 50 Ω), pero esto producirá una señal de voltaje más pequeña. A menudo se utiliza un amplificador de transimpedancia para superar esta limitación, proporcionando tanto alta velocidad como una buena ganancia de señal.

3.6 Corriente Luminosa Relativa vs. Desplazamiento Angular

Este gráfico caracteriza la sensibilidad angular del fotodiodo. Se confirma el amplio ángulo de visión de 130 grados, mostrando que la señal detectada permanece relativamente alta incluso para la luz incidente en ángulos significativos fuera del eje central. Esto es beneficioso para aplicaciones donde la alineación no es perfecta o donde se necesita un campo de detección amplio.

4. Información Mecánica y del Encapsulado

4.1 Dimensiones del Encapsulado

El PD15-22B/TR8 viene en un encapsulado SMD compacto. Las dimensiones clave son las siguientes (todas en mm, tolerancias ±0.1mm a menos que se especifique):

• Longitud Total: 4.0 mm
• Ancho Total: 3.5 mm
• Altura Total: 1.65 mm (típico, desde el plano de asiento hasta la parte superior de la lente)
• Ancho de la Pata: 1.55 mm ±0.05 mm
• Paso entre Patas: 2.95 mm
• Se proporcionan recomendaciones del patrón de soldadura para el diseño del PCB.

El ánodo y el cátodo están claramente marcados en el dibujo del encapsulado. El Pin 1 es el cátodo.

4.2 Dimensiones de la Cinta Portadora y la Bobina

El dispositivo se suministra en cinta y bobina para montaje automatizado. La bobina contiene 2000 piezas. Se proporcionan dimensiones detalladas para los bolsillos de la cinta portadora y la bobina para garantizar la compatibilidad con equipos pick-and-place estándar.

5. Directrices de Soldadura y Montaje

5.1 Almacenamiento y Sensibilidad a la Humedad

El fotodiodo es sensible a la humedad. Se deben tomar precauciones para evitar daños durante el almacenamiento y manejo.

• No abra la bolsa a prueba de humedad hasta que esté listo para su uso.
• Antes de abrir, almacene a ≤30°C y ≤90% HR.
• Use dentro de un año desde el envío.
• Después de abrir, almacene a ≤30°C y ≤60% HR.
• Use dentro de las 168 horas (7 días) posteriores a abrir la bolsa.
• Si se excede el tiempo de almacenamiento o el desecante indica humedad, seque a 60 ±5°C durante un mínimo de 24 horas antes de usar.

5.2 Perfil de Soldadura por Reflujo

Se proporciona un perfil de temperatura de soldadura por reflujo sin plomo recomendado. Los parámetros clave incluyen:

• Zona de precalentamiento y saturación.
• La temperatura máxima no debe exceder los 260°C.
• El tiempo por encima de 240°C debe controlarse.
• La soldadura por reflujo no debe realizarse más de dos veces.
• Evite el estrés mecánico en el componente durante el calentamiento.
• No deforme el PCB después de soldar.

5.3 Soldadura Manual y Rework

Si es necesaria la soldadura manual:

• Use un soldador con una temperatura de punta <350°C.
• Limite el tiempo de contacto a ≤3 segundos por terminal.
• Use un soldador con una potencia nominal <25W.
• Permita un intervalo de enfriamiento de >2 segundos entre soldar cada terminal.
• No se recomienda reparar después de soldar. Si es inevitable, use un soldador de doble punta para calentar ambos terminales simultáneamente y minimizar el estrés térmico. Verifique la funcionalidad del dispositivo después de cualquier rework.

6. Notas de Aplicación y Consideraciones de Diseño

6.1 Aplicaciones Típicas

• Fotodetector de Alta Velocidad:Adecuado para enlaces de datos ópticos, codificadores y detección láser debido a su tiempo de respuesta de 10 ns.
• Fotocopiadoras y Escáneres:Utilizado para detectar la presencia de documentos, detección de bordes y sensado de densidad de tóner.
• Máquinas de Juego y Electrónica de Consumo:Empleado en sensado de proximidad, reconocimiento de gestos y receptores de control remoto por IR.

6.2 Consideraciones de Diseño Críticas

• Limitación/Protección de Corriente:La hoja de datos advierte explícitamente que DEBE usarse una resistencia en serie externa para protección. Un ligero cambio de voltaje puede causar un gran cambio de corriente, lo que podría llevar a la quemadura. Esta resistencia limita la corriente a través del diodo.
• Polarización para Velocidad:Para un rendimiento de alta velocidad óptimo, opere el fotodiodo en modo de polarización inversa (modo fotoconductivo). Una tensión inversa más alta (hasta el límite máximo) reducirá la capacitancia de unión y mejorará el tiempo de respuesta, como se muestra en las curvas características.
• Topología del Circuito:Para convertir la fotocorriente en un voltaje, considere usar un amplificador de transimpedancia (TIA). Esta configuración proporciona baja impedancia de entrada (manteniendo constante el voltaje del fotodiodo, lo que minimiza la modulación de capacitancia), alto ancho de banda y ganancia controlable. La elección de la resistencia de realimentación y el ancho de banda del amplificador determinarán el rendimiento general del sistema.
• Diseño Óptico:La lente negra ayuda a reducir la sensibilidad a la luz parásita. Asegúrese de que la trayectoria óptica esté limpia y libre de obstrucciones. El amplio ángulo de visión de 130 grados ofrece flexibilidad en la alineación mecánica.
• Gestión Térmica:Tenga en cuenta el aumento de la corriente de oscuridad con la temperatura, especialmente en aplicaciones de alta precisión o alta temperatura. Pueden ser necesarios circuitos de compensación de temperatura.

7. Información de Embalaje y Pedido

El procedimiento de embalaje estándar implica colocar las bobinas en una bolsa de aluminio a prueba de humedad junto con un desecante y etiquetas apropiadas. La etiqueta incluye campos para Número de Parte del Cliente (CPN), Número de Producción (P/N), Cantidad (QTY), Categorías (CAT), Longitud de Onda Máxima (HUE), Referencia (REF), Número de Lote (LOT No.) y Lugar de Producción.

La guía de selección de dispositivos confirma que el modelo PD15-22B/TR8 utiliza un chip de Silicio y tiene una Lente Negra.

8. Comparación y Posicionamiento Técnico

El PD15-22B/TR8 se posiciona como un fotodiodo de silicio PIN de propósito general y alta velocidad en un encapsulado SMD estándar. Sus diferenciadores clave son su combinación equilibrada de velocidad (10 ns), sensibilidad, amplio ángulo de visión y sólido cumplimiento ambiental (RoHS, Libre de Halógenos). En comparación con fotodiodos más lentos o fototransistores, ofrece un rendimiento superior para la detección de luz pulsada. En comparación con fotodiodos ultra rápidos más especializados, proporciona una solución rentable para aplicaciones principales que requieren tiempos de respuesta en el rango de nanosegundos. La lente negra es una ventaja sobre las versiones de lente transparente en entornos con luz ambiente, ya que ayuda a suprimir señales no deseadas.

9. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es la diferencia entre la Corriente de Cortocircuito (ISC) y la Corriente Luminosa Inversa (IL)?

R: ISC se mide con voltaje cero a través del diodo (condición de cortocircuito). IL se mide con una tensión de polarización inversa aplicada (por ejemplo, 5V). IL es típicamente el parámetro utilizado en el diseño de circuitos, ya que los fotodiodos generalmente se operan en polarización inversa para linealidad y velocidad.

P: ¿Por qué es obligatoria una resistencia en serie?

R: La característica I-V de un fotodiodo es muy pronunciada en la dirección directa. Un pequeño aumento en la tensión directa puede causar una corriente muy grande, potencialmente destructiva. La resistencia en serie limita esta corriente a un valor seguro.

P: ¿Cómo elijo la tensión inversa de operación?

R: Implica una compensación. Una tensión inversa más alta (por ejemplo, 10-20V) reduce la capacitancia para una respuesta más rápida, pero aumenta ligeramente la corriente de oscuridad y consume más potencia. Un voltaje más bajo (por ejemplo, 5V) es suficiente para muchas aplicaciones y mantiene la corriente de oscuridad mínima. Consulte la curva de capacitancia vs. voltaje.

P: ¿Puede este fotodiodo detectar luz visible?

R: Sí, su rango espectral comienza en 730 nm, que está en la parte roja profunda del espectro visible. Sin embargo, su sensibilidad máxima está en el infrarrojo cercano (940 nm), por lo que su responsividad a la luz visible (especialmente azul y verde) será menor que a la luz IR.

10. Principio de Funcionamiento

Un fotodiodo PIN es un dispositivo semiconductor que convierte la luz en corriente eléctrica. Consiste en una región intrínseca (I) ancha y ligeramente dopada intercalada entre una región semiconductor tipo P y una tipo N (formando la estructura P-I-N). Cuando fotones con suficiente energía golpean la región intrínseca, crean pares electrón-hueco. Bajo la influencia de un campo eléctrico interno (a menudo potenciado por un voltaje de polarización inversa externo), estos portadores de carga se separan, generando una fotocorriente que es proporcional a la intensidad de la luz incidente. La amplia región intrínseca permite una mayor eficiencia cuántica (más absorción de luz) y una menor capacitancia de unión en comparación con un fotodiodo PN estándar, lo que se traduce directamente en mayor sensibilidad y tiempos de respuesta más rápidos.

11. Tendencias de la Industria

La demanda de fotodiodos como el PD15-22B/TR8 está impulsada por varias tendencias en curso. La proliferación del Internet de las Cosas (IoT) y los dispositivos inteligentes aumenta la necesidad de sensores de luz ambiental, sensores de proximidad y enlaces de comunicación óptica simples. La automatización en los sectores industrial y de consumo depende de codificadores ópticos y sensores de detección de objetos. Existe un impulso continuo hacia la miniaturización, lo que lleva a encapsulados SMD más pequeños, y hacia una mayor integración, donde los fotodiodos se combinan con circuitos de amplificación y acondicionamiento de señal en módulos únicos. Además, el énfasis en la eficiencia energética y la responsabilidad ambiental hace que el cumplimiento de estándares como RoHS y la fabricación libre de halógenos sea un requisito básico para los componentes utilizados en los mercados globales.