Fiche technique du phototransistor LTR-S320-DB-L - Boîtier EIA - Sensibilité de crête à 940nm - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-S320-DB-L est un phototransistor NPN en silicium haute performance conçu pour les applications de détection infrarouge. Ce composant est optimisé pour détecter la lumière dans le spectre du proche infrarouge, avec une sensibilité de crête spécifiquement à 940nm, ce qui le rend adapté à une large gamme de systèmes de télécommande, de détection d'objets et de tâches d'automatisation industrielle. Sa fonction principale est de convertir la lumière infrarouge incidente en un courant électrique correspondant.

Le dispositif est logé dans un boîtier standard conforme EIA avec une lentille en résine noire coupe-lumière du jour. Cette lentille filtre efficacement la lumière ambiante visible, réduisant significativement le bruit et les déclenchements intempestifs, améliorant ainsi le rapport signal sur bruit en présence d'un éclairage de fond. Le boîtier est conçu pour être compatible avec les processus d'assemblage automatisé à grand volume, y compris l'alimentation par bande et bobine et la soudure par refusion infrarouge, répondant ainsi aux exigences de fabrication modernes.

En tant que "produit vert" conforme RoHS et sans plomb (Pb-free), il répond aux normes environnementales contemporaines. La combinaison de sa réponse spectrale, de la conception de son boîtier et de sa compatibilité de fabrication en fait une solution fiable et polyvalente pour les circuits de détection infrarouge sensibles au coût et axés sur la performance.

2. Paramètres techniques : Interprétation objective approfondie

Toutes les caractéristiques électriques et optiques sont spécifiées à une température ambiante (T_A) de 25°C, fournissant une base de référence standardisée pour l'évaluation des performances.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement sous ou à ces limites n'est pas garanti et doit être évité dans la conception du circuit.

• Dissipation de puissance (P_D) :150 mW. C'est la puissance maximale que le dispositif peut dissiper sous forme de chaleur. Dépasser cette limite risque d'entraîner un emballement thermique et une défaillance.
• Tension collecteur-émetteur (V_CEO) :30 V. La tension maximale qui peut être appliquée entre les bornes collecteur et émetteur lorsque la base est ouverte (phototransistor à l'obscurité).
• Plage de température de fonctionnement :-40°C à +85°C. La plage de température ambiante dans laquelle le dispositif est conçu pour fonctionner correctement.
• Plage de température de stockage :-55°C à +100°C. La plage de température pour un stockage non opérationnel sans dégradation.
• Condition de soudure infrarouge :Température de crête de 260°C pendant un maximum de 10 secondes. Ceci définit la limite du profil thermique pour les processus de soudure par refusion sans plomb.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres définissent la performance du dispositif dans des conditions de test spécifiques.

• Tension de claquage inverse (V_(BR)R) :Minimum 33V, typique 170V à I_R=100µA. Cette valeur élevée indique une jonction robuste capable de supporter une polarisation inverse significative, ce qui est bénéfique pour les circuits avec charges inductives ou surtensions.
• Courant d'obscurité inverse (I_D) :Maximum 10 nA à V_R=10V. C'est le courant de fuite lorsqu'aucune lumière n'est incidente. Un faible courant d'obscurité est crucial pour obtenir une haute sensibilité et un fonctionnement à faible bruit, en particulier dans les scénarios de détection en faible luminosité.
• Tension en circuit ouvert (V_OC) :Typique 390 mV lorsqu'il est éclairé par une lumière à 940nm avec une irradiance (E_e) de 0,5 mW/cm². Ce paramètre est pertinent lorsque le dispositif est utilisé en mode photovoltaïque (sans polarisation externe).
• Courant en court-circuit (I_SC) :Typique 1,8 µA dans les mêmes conditions de test que V_OC(V_R=5V, λ=940nm, E_e=0,5 mW/cm²). Ceci représente le photocourant généré lorsque la sortie est court-circuitée.
• Temps de montée (T_r) & Temps de descente (T_f) :Maximum 30 ns chacun (V_R=10V, R_L=1kΩ). Ces spécifications de vitesse de commutation sont cruciales pour les applications nécessitant une détection d'impulsions rapides ou une modulation haute fréquence, comme dans les liaisons de communication de données.
• Capacité totale (C_T) :Maximum 1 pF à V_R=5V, f=1MHz. Une faible capacité de jonction est essentielle pour maintenir des temps de réponse rapides, car elle limite la constante de temps RC du circuit.
• Largeur de bande spectrale (λ_0.5) :750 nm à 1100 nm. Ceci définit la plage de longueurs d'onde où la réponse du dispositif est au moins la moitié de sa valeur de crête. Elle couvre la région infrarouge commune utilisée par de nombreux émetteurs IR (comme les LED à 850nm et 940nm).
• Longueur d'onde de sensibilité de crête (λ_P) :940 nm. Le dispositif est spectralement adapté aux LED infrarouges émettant à 940nm, assurant une efficacité et une force de signal maximales dans de tels couplages.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fait référence à des courbes caractéristiques typiques qui fournissent un aperçu visuel du comportement du dispositif dans différentes conditions. Bien que les graphiques spécifiques ne soient pas reproduits dans le texte, leurs implications typiques sont analysées ci-dessous.

3.1 Caractéristiques IV (Courant-Tension)

Une famille de courbes traçant le courant collecteur (I_C) en fonction de la tension collecteur-émetteur (V_CE) pour différents niveaux d'irradiance incidente (E_e). Ces courbes montreraient typiquement que pour une irradiance fixe, I_Caugmente avec V_CEjusqu'à atteindre une région de saturation. Des niveaux d'irradiance plus élevés déplacent les courbes vers le haut, indiquant un photocourant plus important. La pente dans la région active est liée à la conductance de sortie du dispositif.

3.2 Sensibilité relative en fonction de la longueur d'onde

Cette courbe représente graphiquement la réponse spectrale, avec un pic à 940nm et une diminution vers 750nm et 1100nm (les points λ_0.5). Elle est essentielle pour sélectionner un émetteur IR approprié à coupler avec le détecteur et pour évaluer l'impact des sources de lumière ambiante avec des spectres différents.

3.3 Dépendance à la température

Les courbes montrent probablement la variation de paramètres clés comme le courant d'obscurité (I_D) et le photocourant avec la température ambiante. Le courant d'obscurité augmente typiquement de façon exponentielle avec la température (doublant environ tous les 10°C), ce qui peut être une source significative de bruit dans les applications à haute température. Le photocourant peut également avoir un léger coefficient de température négatif.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

4.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif est conforme à un contour de boîtier standard EIA. Toutes les dimensions sont fournies en millimètres avec une tolérance standard de ±0,10 mm sauf indication contraire. Le boîtier comporte une lentille en résine noire coupe-lumière du jour moulée sur la puce de silicium.

4.2 Identification de la polarité et brochage

Le phototransistor est un dispositif à 2 broches. Le brochage est standard pour de tels boîtiers : le collecteur est typiquement connecté au boîtier ou à la broche la plus longue (le cas échéant), tandis que l'émetteur est l'autre broche. Le diagramme de la fiche technique fournit l'identification définitive. La polarité correcte est essentielle pour un fonctionnement correct du circuit.

4.3 Schéma de pastilles de soudure recommandé

Un motif de pastilles (empreinte) recommandé pour la conception de PCB est fourni pour assurer la formation fiable des joints de soudure pendant la refusion. Respecter ces dimensions aide à prévenir le soulèvement en pierre tombale, le désalignement ou des filets de soudure insuffisants.

5. Recommandations de soudure et d'assemblage

5.1 Profil de soudure par refusion

Une suggestion détaillée pour un profil de refusion infrarouge adapté aux processus de soudure sans plomb (Pb-free) est fournie. Les paramètres clés incluent :

• Préchauffage :150°C à 200°C.
• Durée du préchauffage :Maximum 120 secondes.
• Température de crête :Maximum 260°C.
• Temps au-dessus du liquidus (au pic) :Maximum 10 secondes.
• Nombre maximum de cycles de refusion : Two.

Le profil est basé sur les normes JEDEC pour assurer l'intégrité du boîtier. Les ingénieurs doivent caractériser le profil pour leur conception de PCB, leurs composants et leur pâte à souder spécifiques.

5.2 Soudure manuelle

Si une soudure manuelle est nécessaire, la température de la pointe du fer ne doit pas dépasser 300°C, et le temps de soudure par broche doit être limité à un maximum de 3 secondes. Un seul cycle de soudure manuelle est recommandé pour éviter les contraintes thermiques.

5.3 Nettoyage

Seuls les agents de nettoyage spécifiés doivent être utilisés. L'alcool isopropylique (IPA) ou l'alcool éthylique sont recommandés. Le dispositif doit être immergé à température normale pendant moins d'une minute. Des liquides chimiques non spécifiés peuvent endommager la résine du boîtier.

5.4 Conditions de stockage

Emballage scellé (sachet barrière à l'humidité) :Stocker à ≤30°C et ≤90% HR. Les composants sont conçus pour être utilisés dans l'année suivant la date de scellage du sachet.

Emballage ouvert :Stocker à ≤30°C et ≤60% HR. Les composants doivent être refondus dans la semaine (168 heures). Pour un stockage plus long hors du sachet d'origine, ils doivent être stockés dans un conteneur scellé avec dessiccant ou dans un dessiccateur à azote. Les composants stockés plus d'une semaine doivent être séchés à environ 60°C pendant au moins 20 heures avant la soudure pour éliminer l'humidité absorbée et prévenir l'effet "pop-corn" pendant la refusion.

6. Conditionnement et informations de commande

6.1 Spécifications de la bande et de la bobine

Le dispositif est fourni dans une bande porteuse de 8mm sur des bobines d'un diamètre de 7 pouces (178mm), compatible avec l'équipement de placement automatique standard.

• Pièces par bobine : 3000.
• Bande de couverture :Les poches de composants vides sont scellées avec une bande de couverture supérieure.
• Composants manquants :Un maximum de deux composants manquants consécutifs ("lampes manquantes") est autorisé par spécification de bobine.
• Norme :Le conditionnement suit les spécifications ANSI/EIA 481-1-A-1994.

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

• Récepteurs de télécommande infrarouge :Pour téléviseurs, systèmes audio et décodeurs (couplés avec une LED IR à 940nm).
• Détection d'objet/proximité :Dans les imprimantes, photocopieurs, distributeurs automatiques et l'automatisation industrielle pour détecter le papier, les objets ou la position.
• Détecteurs de fumée :Dans les conceptions basées sur une chambre optique.
• Encodeurs :Pour la détection de vitesse ou de position dans le contrôle de moteur.
• Isolation optique de base :Dans les circuits d'isolation à basse vitesse et sensibles au coût.

7.2 Considérations de conception de circuit

Méthode de pilotage :Le phototransistor est un dispositif à sortie de courant. Pour une performance cohérente, en particulier lorsque plusieurs dispositifs sont utilisés en parallèle, il est fortement recommandé d'utiliser une résistance de limitation de courant en série avec chaque phototransistor (Modèle de circuit A dans la fiche technique).

Modèle de circuit A (Recommandé) :Chaque phototransistor a sa propre résistance série connectée à la tension d'alimentation. Cela garantit que chaque dispositif fonctionne à un point de courant défini, compensant les légères variations de leurs caractéristiques courant-tension (I-V) et empêchant l'accaparement du courant par un seul dispositif.

Modèle de circuit B (Non recommandé pour une utilisation en parallèle) :Plusieurs phototransistors connectés directement en parallèle à une seule résistance partagée. En raison des variances naturelles de la courbe I-V des composants individuels, un dispositif peut tirer plus de courant que les autres, entraînant une luminosité ou une sensibilité inégale dans les applications de détection.

Polarisation :Le dispositif est typiquement utilisé dans une configuration émetteur commun avec une résistance de rappel au collecteur. La valeur de cette résistance de charge (R_L) affecte à la fois l'excursion de tension de sortie et la vitesse de réponse (via la constante de temps RC formée avec la capacité du dispositif). Un R_Lplus petit donne une réponse plus rapide mais un changement de tension de sortie plus faible.

Immunité au bruit :La lentille noire coupe-lumière du jour offre un excellent rejet de la lumière visible. Cependant, pour les environnements à fort bruit (par exemple, avec un éclairage fluorescent ou la lumière du soleil), un filtrage électrique supplémentaire (par exemple, un condensateur en parallèle avec la résistance de charge ou un algorithme d'anti-rebond matériel/logiciel) peut être nécessaire pour rejeter les interférences modulées.

8. Comparaison et différenciation techniques

Comparé à une simple photodiode, un phototransistor fournit un gain de courant interne (le bêta du transistor, β), résultant en un courant de sortie beaucoup plus élevé pour le même niveau de lumière incidente. Cela facilite l'interfaçage direct avec les circuits logiques ou les microcontrôleurs sans nécessiter une étape d'amplification ultérieure, simplifiant la conception et réduisant le nombre de composants.

Cependant, ce gain se fait au détriment de temps de réponse plus lents (typiquement des dizaines à des centaines de nanosecondes pour les phototransistors contre des nanosecondes pour les photodiodes) et d'une capacité potentiellement plus élevée. Pour les applications très haute vitesse (par exemple, modulation >1 MHz), une photodiode avec un amplificateur de transimpédance externe pourrait être un meilleur choix.

Les principaux points de différenciation du LTR-S320-DB-L dans la catégorie des phototransistors sont son boîtier EIA standardisé pour faciliter la fabrication, l'adaptation spectrale spécifique à 940nm, la lentille filtre lumière du jour intégrée et sa qualification pour les processus de refusion sans plomb.

9. Questions fréquemment posées (Basées sur les paramètres techniques)

9.1 Quel est le but de la lentille "coupe-lumière du jour" ?

La lentille en résine noire est dopée pour être opaque à la lumière visible mais transparente aux longueurs d'onde infrarouges autour de 940nm. Cela réduit considérablement le photocourant généré par la lumière ambiante de la pièce, la lumière du soleil ou d'autres sources visibles, minimisant les déclenchements intempestifs et améliorant la fiabilité de la détection du signal IR.

9.2 Puis-je l'utiliser avec une LED IR à 850nm ?

Oui, mais avec une efficacité réduite. La courbe de réponse spectrale du dispositif montre une sensibilité significative à 850nm (dans la bande passante 750-1100nm), mais ce n'est pas au pic (940nm). Le signal de sortie sera plus faible par rapport à l'utilisation d'un émetteur adapté à 940nm. Pour une performance optimale et une portée maximale, il est recommandé de le coupler avec une source à 940nm.

9.3 Comment calculer la valeur appropriée de la résistance série ?

La valeur de la résistance dépend du courant de fonctionnement souhaité et de la tension d'alimentation (V_CC). Sous une irradiance spécifique, le phototransistor se comportera comme une source de courant. En utilisant la loi d'Ohm : R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)est la tension de saturation (typiquement quelques centaines de mV à des courants modérés). I_Cest le courant collecteur souhaité, qui peut être estimé à partir du paramètre I_SCet du niveau de lumière attendu. Commencez avec le I_SCtypique (1,8 µA à 0,5 mW/cm²) et ajustez-le en fonction de l'irradiance de votre application. Choisissez R pour définir le point de fonctionnement dans la région souhaitée de la courbe IV.

9.4 Pourquoi un séchage est-il requis si les composants sont stockés hors du sachet ?

Les boîtiers plastiques peuvent absorber l'humidité de l'atmosphère. Pendant le processus de soudure par refusion à haute température, cette humidité piégée peut s'évaporer rapidement, créant une pression interne élevée. Cela peut provoquer le délaminage du boîtier de la puce (effet "pop-corn") ou des fissures internes, entraînant des défaillances immédiates ou latentes. Le séchage élimine cette humidité absorbée, rendant les composants sûrs pour la refusion.

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. Les photons incidents avec une énergie supérieure à la largeur de bande interdite du silicium créent des paires électron-trou dans la région de la jonction base-collecteur. Ces porteurs sont balayés par le champ électrique interne, générant un photocourant qui agit comme le courant de base (I_B). Ce courant de base photogénéré est ensuite amplifié par le gain en courant du transistor (h_FEou β), résultant en un courant collecteur beaucoup plus grand (I_C= β * I_B). La sortie est prise à la borne du collecteur, l'émetteur étant mis à la masse. L'absence d'une broche de base physique est une caractéristique commune, bien que certains phototransistors incluent une connexion de base pour le contrôle de la polarisation ou l'optimisation de la vitesse.

11. Tendances de développement

Le domaine de la photodétection continue d'évoluer. Les tendances pertinentes pour des dispositifs comme le LTR-S320-DB-L incluent :

• Miniaturisation :Développement de phototransistors dans des empreintes de boîtier plus petites (par exemple, boîtiers à l'échelle de la puce) pour permettre une électronique plus dense.
• Intégration améliorée :Combinaison du photodétecteur avec l'amplification, le filtrage et la logique numérique sur une seule puce pour créer des "capteurs intelligents" avec sortie numérique (I2C, SPI), réduisant le nombre de composants externes et simplifiant la conception du système.
• Vitesse améliorée :Recherche sur les structures et matériaux pour réduire le temps de transit des porteurs et la capacité, poussant les bandes passantes des phototransistors plus haut pour les applications de communication de données.
• Spécificité de longueur d'onde :Développement de détecteurs avec des réponses spectrales plus étroites et plus précisément accordées pour améliorer la sélectivité dans les environnements avec plusieurs sources IR ou pour permettre de nouvelles modalités de détection.
• Accent sur la fiabilité et les tests :Alors que l'optoélectronique pénètre les applications automobiles, médicales et de sécurité industrielle, l'accent est accru sur les normes de qualification rigoureuses, le fonctionnement sur une plage de température étendue et l'analyse des modes de défaillance.

Bien que les phototransistors discrets restent vitaux pour de nombreuses applications en raison de leur simplicité et de leur rapport coût-efficacité, ces tendances pointent vers des solutions plus sophistiquées et spécifiques à l'application à l'avenir.