Fiche technique du phototransistor LTR-3208 - Dimensions du boîtier - Tension collecteur-émetteur 30V - Puissance dissipée 100mW - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-3208 est un phototransistor NPN en silicium conçu pour les applications de détection infrarouge. Il est logé dans un boîtier plastique économique doté d'une lentille intégrée optimisée pour une haute sensibilité. Ce composant est conçu pour convertir la lumière infrarouge incidente en un courant électrique correspondant à sa borne collecteur, le rendant adapté à divers systèmes de détection et de télémétrie où une détection lumineuse fiable et économique est requise.

1.1 Avantages principaux

Le dispositif offre plusieurs avantages clés pour les concepteurs. Sa caractéristique principale est une large plage de fonctionnement pour le courant collecteur, offrant une flexibilité dans la conception des circuits pour différents niveaux de signal. L'intégration d'une lentille directement dans le boîtier améliore sa sensibilité au rayonnement infrarouge entrant, optimisant le rapport signal/bruit et la portée de détection. De plus, l'utilisation d'un boîtier plastique standard contribue à un coût global réduit du composant, en faisant un choix attractif pour les applications à grand volume ou sensibles au prix.

1.2 Marché cible et applications

Ce phototransistor cible le vaste marché de l'optoélectronique, servant les applications nécessitant une détection sans contact. Les cas d'utilisation typiques incluent la détection d'objets, la détection de position, les interrupteurs à fente (par ex., dans les imprimantes et encodeurs), les commutateurs sans contact et les systèmes d'automatisation industrielle. Sa fiabilité et son interface simple (nécessitant typiquement une résistance de rappel et une tension d'alimentation) en font un choix courant pour l'électronique grand public et les systèmes de contrôle industriel.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Les performances électriques et optiques du LTR-3208 sont caractérisées dans des conditions ambiantes standard (25°C). La compréhension de ces paramètres est cruciale pour une conception de circuit appropriée et pour garantir un fonctionnement fiable dans les limites spécifiées du dispositif.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement à ou sous ces limites n'est pas garanti. La puissance maximale dissipée est de 100 mW, ce qui dicte la conception thermique de l'application. La tension collecteur-émetteur maximale (V_CEO) est de 30V, tandis que la tension émetteur-collecteur maximale (V_ECO) est de 5V, indiquant l'asymétrie du dispositif. La plage de température de fonctionnement est de -40°C à +85°C, et il peut être stocké dans des environnements de -55°C à +100°C. Pour le soudage, les broches peuvent supporter 260°C pendant 5 secondes lorsqu'elles sont mesurées à 1,6 mm du corps du boîtier.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Les paramètres opérationnels clés définissent les performances du dispositif dans des conditions de test spécifiques. La tension de claquage collecteur-émetteur (V_(BR)CEO) est typiquement de 30V à un courant collecteur de 1mA sans illumination. La tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) est très faible, allant de 0,1V (min) à 0,4V (max) lorsque le dispositif est piloté avec un courant collecteur de 100μA sous une irradiance de 1 mW/cm². Cette faible tension de saturation est souhaitable pour les applications de commutation. La vitesse de commutation est caractérisée par le temps de montée (T_r) et le temps de descente (T_f), spécifiés respectivement à 10 μs et 15 μs dans les conditions de test V_CC=5V, I_C=1mA, et R_L=1kΩ. Le courant d'obscurité du collecteur (I_CEO), qui est le courant de fuite sans lumière, a une valeur maximale de 100 nA à V_CE=10V.

2.3 Courant collecteur à l'état passant et classement (binning)

Un paramètre critique est le courant collecteur à l'état passant (I_C(ON)), qui est le courant de sortie lorsque le dispositif est illuminé. Ce paramètre est classé (binned), ce qui signifie que les dispositifs sont triés en groupes de performance. La condition de test est V_CE= 5V avec une irradiance de 1 mW/cm² à une longueur d'onde de 940nm. Les classes sont les suivantes : Classe C : 0,8 à 2,4 mA ; Classe D : 1,6 à 4,8 mA ; Classe E : 3,2 à 9,6 mA ; Classe F : 6,4 mA (minimum). Ce classement permet aux concepteurs de sélectionner un dispositif avec une plage de sensibilité adaptée à leur application spécifique, garantissant ainsi des performances système cohérentes.

3. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui illustrent comment les paramètres clés varient avec les facteurs environnementaux et opérationnels. Ces graphiques sont essentiels pour comprendre le comportement du dispositif au-delà des spécifications ponctuelles données dans les tableaux.

3.1 Dépendance à la température

La Figure 1 montre la relation entre le courant d'obscurité du collecteur (I_CEO) et la température ambiante (T_a). Le courant d'obscurité augmente de façon exponentielle avec la température, ce qui est une propriété fondamentale des jonctions semi-conductrices. Les concepteurs doivent tenir compte de cette fuite accrue dans les environnements à haute température, car elle peut affecter le niveau de signal à l'état bloqué et le bruit de fond. La Figure 2 représente la dégradation de la puissance maximale dissipable au collecteur (P_C) lorsque la température ambiante augmente. La valeur nominale de 100 mW n'est valable qu'à 25°C ou en dessous ; au-dessus de cette température, la puissance maximale doit être réduite linéairement pour éviter une surcontrainte thermique.

3.2 Caractéristiques dynamiques et de réponse

La Figure 3 illustre comment les temps de montée et de descente (T_r, T_f) sont affectés par la résistance de charge (R_L). Les temps de commutation augmentent avec des résistances de charge plus grandes. C'est une considération cruciale pour concevoir des circuits de détection haute vitesse, où une résistance de charge plus petite peut être nécessaire pour atteindre la bande passante souhaitée, bien qu'au prix d'une consommation de courant plus élevée. La Figure 4 montre le courant collecteur relatif en fonction de l'irradiance (E_e). La relation est généralement linéaire dans la région de fonctionnement, confirmant que le courant de sortie est directement proportionnel à la puissance lumineuse incidente, ce qui est idéal pour les applications de détection analogique.

3.3 Réponse spectrale

Les Figures 5 et 6 sont liées à la sensibilité spectrale du dispositif. La Figure 5 est un diagramme polaire montrant la dépendance angulaire de la sensibilité, indiquant comment la sortie varie avec l'angle de la lumière incidente par rapport à l'axe du dispositif. Ceci est important pour l'alignement dans les systèmes optiques. La Figure 6, la courbe de distribution spectrale, montre que le LTR-3208 est le plus sensible à la lumière infrarouge, avec une responsivité maximale à une longueur d'onde spécifique (impliquée dans la région du proche infrarouge, typique des phototransistors au silicium). Il a une réponse négligeable à la lumière visible, le rendant insensible à l'éclairage ambiant dans de nombreux cas.

4. Informations mécaniques et de conditionnement

4.1 Dimensions du boîtier

Le LTR-3208 utilise un boîtier plastique standard à trois broches. Le boîtier comprend une lentille moulée sur le dessus pour focaliser la lumière entrante sur la zone semi-conductrice sensible. Les dimensions critiques incluent la taille du corps, l'espacement des broches et la saillie de la résine sous la collerette, spécifiée comme un maximum de 1,5mm. L'espacement des broches est mesuré au point où les broches sortent du corps du boîtier. Toutes les dimensions sont fournies en millimètres avec une tolérance standard de ±0,25mm sauf indication contraire. Le contour physique et les dimensions sont essentiels pour la conception de l'empreinte PCB et pour assurer un ajustement correct dans l'assemblage.

4.2 Identification de la polarité et brochage

Le dispositif possède trois broches : Collecteur, Émetteur et Base (souvent laissée non connectée ou utilisée pour le polarisation dans certaines configurations). Le brochage typique pour un phototransistor dans ce boîtier est : en regardant le dispositif par le dessus (côté lentille) avec le côté plat ou l'encoche face à une direction spécifique, les broches de gauche à droite sont généralement Émetteur, Collecteur et Base. Cependant, les concepteurs doivent toujours vérifier le brochage à partir du dessin mécanique dans la fiche technique pour éviter les erreurs de connexion. Le boîtier peut également avoir un marquage ou une empreinte pour identifier la broche 1.

5. Recommandations de soudage et d'assemblage

5.1 Paramètres de soudage par refusion

Bien que les détails spécifiques du profil de refusion ne soient pas fournis dans cet extrait, les valeurs maximales absolues donnent une contrainte critique : les broches peuvent supporter une température de soudage de 260°C pendant un maximum de 5 secondes lorsqu'elles sont mesurées à 1,6 mm du corps du boîtier. Cela implique que les profils de refusion standard sans plomb (qui culminent souvent autour de 245-260°C) sont acceptables, mais le temps au-dessus du liquidus doit être contrôlé pour éviter d'endommager le boîtier. Il est recommandé de suivre les normes JEDEC ou IPC pour le soudage des dispositifs encapsulés en plastique.

5.2 Précautions de manipulation et de stockage

Le dispositif doit être manipulé avec les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD), car la jonction semi-conductrice peut être endommagée par l'électricité statique. Le stockage doit se faire dans la plage de température spécifiée de -55°C à +100°C dans un environnement à faible humidité. La lentille doit être maintenue propre et exempte de rayures, de contaminants ou de suintement d'époxy pendant l'assemblage, car ceux-ci peuvent affecter significativement les performances optiques et la sensibilité.

6. Suggestions d'application

6.1 Circuits d'application typiques

La configuration de circuit la plus courante est le "mode interrupteur". Le collecteur du phototransistor est connecté à une tension d'alimentation positive (V_CC) via une résistance de rappel (R_L). L'émetteur est connecté à la masse. Le signal de sortie est prélevé au nœud collecteur. Lorsqu'il n'y a pas de lumière, le dispositif est bloqué et la sortie est tirée au niveau haut vers V_CC. Lorsqu'une lumière infrarouge suffisante frappe le dispositif, il sature, tirant la tension de sortie vers le bas vers V_CE(SAT). La valeur de R_Ldétermine l'excursion de sortie, la consommation de courant et la vitesse de commutation, comme le montrent les courbes de performance.

6.2 Considérations de conception

Les facteurs de conception clés incluent :Polarisation :Assurez-vous que la tension de fonctionnement V_CEest dans la limite maximale (30V).Sélection de la résistance de charge :Choisissez R_Len fonction de la vitesse de commutation requise (voir Fig. 3), de l'excursion de tension de sortie et de la consommation d'énergie. Un R_Lplus petit donne une vitesse plus rapide mais un courant plus élevé.Alignement optique :Prenez en compte le diagramme de sensibilité angulaire (Fig. 5) lors de la conception du chemin optique entre l'émetteur IR et le détecteur.Immunité à la lumière ambiante :Bien que le dispositif soit principalement sensible à l'IR, des sources IR ambiantes fortes (comme la lumière du soleil ou les ampoules à incandescence) peuvent provoquer un déclenchement erroné. L'utilisation d'un signal IR modulé et d'une détection synchrone peut grandement améliorer l'immunité au bruit.Effets de la température :Tenez compte de l'augmentation du courant d'obscurité avec la température, ce qui peut nécessiter un ajustement du seuil dans le circuit de détection.

7. Comparaison et différenciation techniques

Comparé à une simple photodiode, un phototransistor fournit un gain interne, résultant en un courant de sortie beaucoup plus important pour la même entrée lumineuse, éliminant souvent le besoin d'un étage amplificateur supplémentaire. Comparé à d'autres phototransistors, la différenciation du LTR-3208 réside dans sa combinaison spécifique de boîtier (avec lentille intégrée pour une sensibilité accrue), ses classes de courant définies permettant une sélection de sensibilité, et ses caractéristiques électriques équilibrées (30V V_CEO, 100mW P_D). La faible V_CE(SAT)est également une caractéristique favorable pour une commutation numérique propre.

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

Q : Quel est l'objectif des différentes classes (C, D, E, F) pour I_C(ON)?

R : Le classement trie les dispositifs selon leur sensibilité. Les dispositifs de classe F ont le courant de sortie minimum le plus élevé (les plus sensibles), tandis que ceux de classe C ont le plus faible. Cela vous permet de choisir un composant qui correspond au niveau de signal requis par votre système, garantissant la cohérence et simplifiant potentiellement la conception du circuit en fournissant une plage de signal prévisible.

Q : Puis-je utiliser ce capteur en plein soleil ?

R : La lumière directe du soleil contient une quantité significative de rayonnement infrarouge et saturera probablement le capteur, provoquant un état "passant" constant. Pour une utilisation en extérieur ou dans des environnements très éclairés, un filtrage optique (un filtre passe-IR qui bloque la lumière visible) et/ou des techniques de modulation de signal sont fortement recommandés pour distinguer le signal IR souhaité du bruit IR ambiant.

Q : Comment interpréter les temps de montée et de descente ?

R : Ils spécifient la vitesse à laquelle la sortie peut changer d'état. Un temps de montée de 10μs signifie qu'il faut environ 10 microsecondes pour que la sortie passe de 10% à 90% de sa valeur finale lorsque la lumière est appliquée. Cela limite la fréquence maximale de la lumière modulée qui peut être détectée avec précision. Pour une simple détection d'objet, cette vitesse est plus que suffisante. Pour la communication haute vitesse, cela peut être un facteur limitant.

9. Exemple pratique d'utilisation

Scénario : Détection de papier dans une imprimante.Un LTR-3208 (d'une classe de sensibilité appropriée) et une LED infrarouge sont placés de part et d'autre du chemin du papier, alignés de sorte que le papier interrompe le faisceau. Le phototransistor est configuré dans un circuit interrupteur avec une résistance de rappel de 10kΩ à 5V. Lorsqu'il n'y a pas de papier, la lumière IR frappe le capteur, le saturant et tirant la broche de sortie à une basse tension (~0,2V). Lorsque le papier passe, il bloque la lumière, bloquant le phototransistor et permettant à la broche de sortie d'être tirée au niveau haut à 5V. Ce signal numérique est envoyé à un microcontrôleur pour suivre la présence du papier et la détection de bord. La lentille sur le LTR-3208 aide à focaliser le faisceau IR, améliorant la fiabilité et permettant un espacement légèrement plus grand entre l'émetteur et le détecteur.

10. Principe de fonctionnement

Un phototransistor est un transistor bipolaire à jonction où la région de base est exposée à la lumière. Les photons incidents dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur génèrent des paires électron-trou dans la jonction base-collecteur. Ces porteurs photogénérés sont équivalents à un courant de base. En raison de l'amplification de courant du transistor (bêta ou h_FE), ce petit photocourant est multiplié, résultant en un courant collecteur beaucoup plus important. Le dispositif combine essentiellement la détection de lumière d'une photodiode avec le gain en courant d'un transistor dans un seul boîtier. La lentille intégrée sert à concentrer plus de lumière sur la zone semi-conductrice active, augmentant le "courant de base" effectif et donc le signal de sortie.

11. Tendances technologiques

La tendance générale pour les composants optoélectroniques discrets comme les phototransistors va vers la miniaturisation, une intégration plus élevée et des performances améliorées. Cela inclut le développement de boîtiers montés en surface avec des empreintes plus petites et des profils plus bas pour répondre aux exigences des conceptions PCB modernes et denses. Il y a également une évolution vers des dispositifs avec des paramètres de performance mieux définis et plus cohérents, réduisant le besoin d'étalonnage dans les applications finales. Dans certaines applications avancées, les phototransistors sont intégrés avec des circuits d'amplification et de conditionnement de signal sur puce pour créer des solutions plus complètes de "capteur en boîtier", bien que les composants discrets comme le LTR-3208 restent très pertinents pour leur simplicité, fiabilité et rentabilité dans une vaste gamme de tâches de détection standard.