Fiche technique du phototransistor LTR-323DB - Boîtier 5mm - Tension inverse 30V - Longueur d'onde 940nm - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-323DB est un phototransistor planaire NPN au silicium conçu pour la détection infrarouge. Sa fonction principale est de convertir la lumière infrarouge incidente en un courant électrique. Le dispositif intègre une lentille qui améliore sa sensibilité optique, le rendant adapté aux applications nécessitant une détection fiable des signaux IR. Ses principaux atouts incluent son temps de réponse rapide et sa faible capacité de jonction, essentiels pour la détection de lumière pulsée ou haute fréquence.

Les avantages fondamentaux de ce composant résident dans ses spécifications de performance. Il offre une fréquence de coupure élevée grâce à ses caractéristiques de commutation rapide. Le dispositif est conçu pour une stabilité sur une large plage de températures de fonctionnement, de -40°C à +85°C. Ses marchés cibles principaux incluent l'automatisation industrielle, l'électronique grand public pour les systèmes de télécommande, les équipements de sécurité, et divers circuits d'isolation optique où une détection lumineuse précise et rapide est nécessaire.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques maximales absolues

Les caractéristiques maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents peuvent survenir. Ce ne sont pas des conditions de fonctionnement.

• Puissance dissipée (P_D) :150 mW. C'est la puissance maximale que le dispositif peut dissiper sous forme de chaleur à une température ambiante (T_A) de 25°C. Dépasser cette limite risque de provoquer un emballement thermique et une défaillance.
• Tension inverse (V_R) :30 V. C'est la tension maximale pouvant être appliquée en polarisation inverse aux bornes de la jonction collecteur-émetteur. La tension de claquage (V_(BR)R) est typiquement égale ou supérieure à cette valeur.
• Plage de température de fonctionnement (T_A) :-40°C à +85°C. Le dispositif est garanti pour respecter ses spécifications électriques dans cette plage de température ambiante.
• Plage de température de stockage (T_stg) :-55°C à +100°C. Le composant peut être stocké sans alimentation dans ces limites sans dégradation.
• Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes, mesurée à 1,6mm du corps du boîtier. Ceci définit le profil de refusion ou de soudure manuelle pour éviter la fissuration du boîtier ou des dommages internes.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions de test standard (T_A=25°C) et définissent la performance du dispositif.

• Tension de claquage inverse, V_(BR)R:Min. 30 V (I_R= 100µA, E_e=0). Confirme que le dispositif peut supporter la tension inverse maximale indiquée.
• Courant d'obscurité inverse, I_D(R):Max. 30 nA (V_R=10V, E_e=0). C'est le courant de fuite lorsqu'aucune lumière n'est incidente. Une valeur faible est cruciale pour le rapport signal/bruit dans la détection en faible luminosité.
• Tension en circuit ouvert, V_OC:Typ. 350 mV (λ=940nm, E_e=0,5 mW/cm²). La tension générée aux bornes du dispositif en circuit ouvert sous éclairement, indicative de sa capacité photovoltaïque.
• Temps de montée (T_r) & Temps de descente (T_f) :Max. 50 nsec chacun (V_R=10V, λ=940nm, R_L=1kΩ). Ces temps de commutation rapides permettent la détection de signaux IR modulés haute fréquence, une caractéristique clé pour la télécommande et la transmission de données.
• Courant de court-circuit, I_S:Min. 8 µA, Typ. 13 µA (V_R=5V, λ=940nm, E_e=0,1 mW/cm²). Le photocourant lorsque la sortie est en court-circuit. Ce paramètre est directement lié à la sensibilité.
• Capacité totale, C_T:Max. 25 pF (V_R=3V, f=1MHz, E_e=0). La faible capacité de jonction contribue à la fréquence de coupure élevée et à la réponse rapide.
• Longueur d'onde de sensibilité maximale, λ_SMAX:Typ. 900 nm. Le dispositif est le plus sensible à la lumière infrarouge proche de cette longueur d'onde, le rendant idéal pour être couplé avec des LED IR 940nm.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques illustrant les performances dans différentes conditions.

3.1 Courant d'obscurité vs. Tension inverse (Fig. 1)

Cette courbe montre la relation entre le courant d'obscurité inverse (I_D) et la tension inverse appliquée (V_R) dans l'obscurité totale. Le courant reste très faible (de l'ordre du pA au nA) jusqu'à l'approche de la région de claquage. Ceci confirme les excellentes caractéristiques à l'état bloqué du dispositif, minimisant les déclenchements intempestifs dus au bruit.

3.2 Capacité vs. Tension inverse (Fig. 2)

Ce graphique montre comment la capacité de jonction (C_T) diminue lorsque la tension de polarisation inverse augmente. C'est un comportement typique d'une jonction PN. Fonctionner à une tension inverse plus élevée (dans les limites) peut réduire la capacité, améliorant ainsi la réponse haute fréquence.

3.3 Photocourant & Courant d'obscurité vs. Température ambiante (Fig. 3 & 4)

La figure 3 montre comment le photocourant varie avec la température. Le photocourant a typiquement un coefficient de température positif, ce qui signifie qu'il peut légèrement augmenter avec la température pour un éclairement constant. La figure 4 montre que le courant d'obscurité (I_D) augmente exponentiellement avec la température. C'est une considération de conception critique : à haute température, le courant d'obscurité croissant peut devenir une source de bruit significative, masquant potentiellement les signaux optiques faibles.

3.4 Sensibilité spectrale relative (Fig. 5)

C'est peut-être la courbe optique la plus importante. Elle trace la réponse normalisée du dispositif sur le spectre lumineux. Le LTR-323DB présente un pic de sensibilité autour de 900nm et une réponse utile d'environ 800nm à 1050nm. Il est pratiquement insensible à la lumière visible, le rendant immunisé contre les interférences de la lumière ambiante dans de nombreux environnements.

3.5 Photocourant vs. Éclairement (Fig. 6)

Cette courbe démontre la relation linéaire entre la puissance lumineuse incidente (éclairement E_e) et le photocourant généré (I_P) à une longueur d'onde spécifique (940nm). La linéarité est bonne sur plusieurs décades d'éclairement, ce qui est essentiel pour les applications de détection analogique où l'intensité lumineuse transporte l'information.

3.6 Diagramme de sensibilité & Dérating de puissance (Fig. 7 & 8)

La figure 7 illustre le diagramme de sensibilité angulaire, façonné par la lentille intégrée. Elle montre le champ de vision effectif. La figure 8 est la courbe de dérating de puissance, montrant comment la puissance dissipable maximale diminue lorsque la température ambiante dépasse 25°C. Ce graphique est essentiel pour la gestion thermique dans la conception de l'application.

4. Informations mécaniques et sur le boîtier

4.1 Dimensions du boîtier

Le LTR-323DB est fourni dans un boîtier radial à broches standard de 5mm. Les dimensions clés incluent :

• Le diamètre du boîtier est d'environ 5mm.
• L'espacement des broches est mesuré là où elles émergent du corps du boîtier.
• Une protubérance de résine maximale de 1,5mm sous la collerette est autorisée.
• Toutes les tolérances dimensionnelles sont typiquement de ±0,25mm sauf indication contraire.

Identification de la polarité :La broche la plus longue est typiquement le collecteur, et la broche la plus courte est l'émetteur. Le boîtier peut également avoir un côté plat ou un autre marquage près de la broche de la cathode (émetteur). Vérifiez toujours la polarité avant l'installation pour éviter tout dommage.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

Une manipulation appropriée est cruciale pour la fiabilité.

• Soudure par refusion :Suivez le profil spécifié : température de pointe de 260°C pendant un maximum de 5 secondes, mesurée à 1,6mm (0,063") du corps du boîtier. Utilisez un profil thermique contrôlé pour éviter les chocs thermiques.
• Soudure manuelle :Appliquez la chaleur sur la broche, pas sur le corps du boîtier. Limitez le temps de soudure par broche à moins de 3 secondes avec une température de pointe du fer à souder inférieure à 350°C.
• Nettoyage :Utilisez des agents de nettoyage doux compatibles avec la résine époxy. Évitez le nettoyage par ultrasons qui pourrait endommager la puce interne ou les fils de connexion.
• Conditions de stockage :Stockez dans un environnement sec et antistatique dans la plage de température de stockage spécifiée (-55°C à +100°C). Les dispositifs sensibles à l'humidité doivent être conservés dans des sacs scellés avec un dessiccant.

6. Suggestions d'application

6.1 Scénarios d'application typiques

• Récepteurs de télécommande infrarouge :Son temps de commutation rapide (50ns) le rend idéal pour décoder les signaux des télécommandes de TV, audio et appareils utilisant une modulation à 38kHz ou 40kHz.
• Détection et comptage d'objets :Utilisé dans les capteurs à barrière optique pour l'automatisation, les distributeurs automatiques et les portails de sécurité.
• Codeurs optiques :Détection des fentes sur un disque rotatif pour la mesure de vitesse ou de position.
• Opto-isolateurs :Fournissant une isolation électrique entre les circuits tout en transmettant un signal par la lumière.
• Barrières lumineuses et rideaux de sécurité :Dans les systèmes de sécurité industriels.

6.2 Considérations de conception

• Circuit de polarisation :Le phototransistor peut être utilisé dans deux configurations courantes : mode photoconductif (polarisé en inverse, réponse plus rapide) ou mode photovoltaïque (polarisation nulle, pas de courant d'obscurité). Pour la vitesse, utilisez une polarisation inverse (par ex., 5V-10V) avec une résistance de charge (R_L). La valeur de R_Lest un compromis entre l'amplitude de la tension de sortie et la bande passante (à cause de la constante de temps RC avec C_T).
• Rejet de la lumière ambiante :Puisque le dispositif est sensible à l'IR 900nm, il peut être affecté par la lumière du soleil ou les ampoules à incandescence qui contiennent de l'IR. Utilisez un filtre physique passe-IR (bloquant la lumière visible) ou des sources lumineuses modulées avec une détection synchrone dans les applications critiques.
• Compensation de température :Pour une détection analogique de précision sur une large plage de températures, envisagez un circuit pour compenser la variation du courant d'obscurité et du photocourant avec la température.
• Alignement de la lentille :La lentille intégrée a un angle de vision spécifique. Assurez un alignement optique correct avec la source IR pour un signal maximal.

7. Comparaison et différenciation technique

Comparé à une photodiode standard, un phototransistor comme le LTR-323DB fournit un gain en courant interne (h_FEdu transistor bipolaire), résultant en un courant de sortie beaucoup plus élevé pour la même entrée lumineuse. Cela élimine le besoin d'un amplificateur de transimpédance externe dans de nombreux circuits de détection simples. Comparé à d'autres phototransistors, les principaux points de différenciation du LTR-323DB sont sontemps de commutation rapide (50ns)et safaible capacité (25pF max), qui ensemble permettent une bande passante utile plus élevée. La lentille intégrée offre également une sensibilité et une directivité supérieures aux dispositifs avec une fenêtre plate.

8. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

Q : Quelle est la différence entre le courant de court-circuit (I_S) et le photocourant dans les courbes ?

R : I_Sest un paramètre spécifique mesuré dans des conditions de court-circuit (V_R=5V simule une charge à faible impédance). Le photocourant (I_P) dans les courbes est le courant de sortie général, qui dépend de la résistance de charge et de la tension de polarisation. Pour une petite résistance de charge, I_P≈ I_S.

Q : Puis-je l'utiliser avec une LED IR 850nm ?

R : Oui, mais avec une sensibilité réduite. Reportez-vous à la Figure 5. La sensibilité relative à 850nm est inférieure à celle à 900nm. Vous pourriez avoir besoin d'une source IR plus puissante ou d'un gain optique pour obtenir le même signal de sortie.

Q : Pourquoi le courant d'obscurité augmente-t-il avec la température, et pourquoi est-ce important ?

R : Le courant d'obscurité est causé par les porteurs de charge générés thermiquement dans la jonction du semi-conducteur. Lorsque la température augmente, plus de porteurs sont générés, augmentant le courant. Ce courant est indiscernable du photocourant, il agit donc comme un bruit. Dans les applications à haute température ou à faible niveau de lumière, ce bruit peut limiter le signal minimum détectable.

Q : Comment choisir la valeur de la résistance de charge (R_L) ?

R : C'est un compromis. Un R_Lplus grand donne une amplitude de tension de sortie plus grande pour un photocourant donné (V_out= I_P* R_L) mais ralentit la réponse à cause de la constante de temps τ = R_L* C_T. Pour une réponse rapide (par ex., télécommande), utilisez un R_Lplus petit (par ex., 1kΩ comme dans la condition de test). Pour un maximum de tension de sortie dans les applications plus lentes, utilisez un R_Lplus grand, mais assurez-vous que la chute de tension aux bornes du transistor ne dépasse pas ses spécifications.

9. Étude de cas d'application pratique

Cas : Conception d'un capteur de proximité pour un appareil mobile.

Le LTR-323DB peut être utilisé avec une LED IR 940nm co-localisée pour détecter la présence d'un objet (comme l'oreille d'un utilisateur pendant un appel téléphonique). La conception consiste à pulser la LED IR et à mesurer la sortie du phototransistor. Lorsqu'un objet est proche, la lumière IR réfléchie augmente le photocourant. Étapes clés de conception :

1. Configuration du circuit :Faire fonctionner le phototransistor en mode photoconductif avec une polarisation inverse de 5V et une résistance de charge (par ex., 10kΩ). La sortie est prise sur le collecteur.
2. Modulation et démodulation :Pulser la LED IR à une fréquence spécifique (par ex., 10kHz). Utiliser un circuit de détection synchrone ou l'ADC d'un microcontrôleur pour mesurer uniquement le signal à cette fréquence. Cela rejette la lumière ambiante (typiquement continue ou à 50/60Hz).
3. Réglage du seuil :Étalonner le système pour établir une sortie de référence sans objet et une valeur de seuil indiquant la proximité. La différence entre les courbes de la Figure 3 (photocourant) et de la Figure 4 (courant d'obscurité) informe sur la plage de signal attendue en fonction de la température.
4. Conception optique :Utiliser une petite barrière entre la LED et le phototransistor pour minimiser le couplage direct et maximiser la sensibilité à la lumière réfléchie. La lentille du LTR-323DB aide à se concentrer sur le champ proche.

Ce cas met en évidence l'utilisation de la commutation rapide (pour le fonctionnement pulsé), de la sensibilité (pour détecter de faibles réflexions), et l'importance de gérer le courant d'obscurité dépendant de la température.

10. Principe de fonctionnement

Un phototransistor est fondamentalement un transistor bipolaire à jonction (BJT) où le courant de base est généré par la lumière au lieu d'une connexion électrique. Dans la structure NPN du LTR-323DB :

1. Les photons infrarouges dont l'énergie est supérieure à la bande interdite du silicium pénètrent dans la région de déplétion base-collecteur.
2. Ces photons génèrent des paires électron-trou.
3. Le champ électrique dans la jonction collecteur-base polarisée en inverse balaie ces porteurs, créant un photocourant.
4. Ce photocourant agit comme le courant de base (I_B) du transistor.
5. Le transistor amplifie ensuite ce courant, produisant un courant de collecteur beaucoup plus important (I_C= h_FE* I_B). C'est le signal de sortie.

La lentille intégrée concentre la lumière incidente sur la zone active du semi-conducteur, augmentant le nombre de photons absorbés et améliorant ainsi la sensibilité. Le temps de commutation rapide est obtenu grâce à une conception minutieuse de la géométrie du semi-conducteur et des profils de dopage pour minimiser les temps de transit des porteurs et la capacité de jonction.

11. Tendances technologiques

Le domaine de la détection infrarouge continue d'évoluer. Les tendances pertinentes pour des dispositifs comme le LTR-323DB incluent :

• Intégration :Évolution vers des solutions intégrées combinant le photodétecteur, l'amplificateur et le circuit de conditionnement du signal (par ex., dans un seul CI). Cela simplifie la conception et améliore l'immunité au bruit.
• Miniaturisation :Développement de phototransistors dans des boîtiers CMS plus petits (SMD) comme 1206, 0805, voire des boîtiers à l'échelle de la puce pour répondre aux exigences de l'électronique grand public compacte.
• Performance améliorée :La recherche continue vise à réduire davantage la capacité et le courant d'obscurité tout en maintenant ou en augmentant la sensibilité, permettant des débits de données plus élevés en communication optique et une détection en faible lumière plus précise.
• Spécificité de longueur d'onde :Développement de détecteurs avec un filtrage spectral plus sélectif intégré au boîtier pour améliorer le rejet des sources de lumière ambiante indésirables.

Malgré ces tendances, les phototransistors discrets à broches radiales comme le LTR-323DB restent très pertinents en raison de leur simplicité, fiabilité, faible coût et facilité d'utilisation dans une vaste gamme d'applications établies.