Fiche technique du phototransistor LTR-209 - Boîtier transparent - Vce 30V - Puissance 100mW - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-209 est un phototransistor NPN en silicium conçu pour les applications de détection infrarouge. Il est logé dans un boîtier plastique transparent qui permet une haute sensibilité à la lumière incidente, particulièrement dans le spectre infrarouge. Le dispositif se caractérise par sa large plage de fonctionnement, sa fiabilité et son rapport coût-efficacité, le rendant adapté à divers systèmes de détection et de mesure.

1.1 Avantages principaux

• Large gamme de courant collecteur :Le dispositif prend en charge un large spectre de niveaux de courant collecteur, offrant une flexibilité dans la conception du circuit et l'ajustement de la sensibilité.
• Lentille haute sensibilité :La lentille intégrée améliore la sensibilité du dispositif au rayonnement infrarouge entrant, optimisant le rapport signal sur bruit.
• Boîtier plastique économique :Utilise un encapsulage plastique économique, réduisant le coût global du système.
• Boîtier transparent :Le boîtier transparent maximise la quantité de lumière atteignant la zone semi-conductrice active, optimisant ainsi les performances.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

La section suivante fournit une interprétation détaillée et objective des principaux paramètres électriques et optiques spécifiés pour le phototransistor LTR-209.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement sous ou à ces conditions n'est pas garanti.

• Puissance dissipée (P_D) :100 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 d'entraîner un emballement thermique et une défaillance.
• Tension collecteur-émetteur (V_CEO) :30 V. La tension maximale pouvant être appliquée entre les bornes collecteur et émetteur avec la base ouverte (photocourant uniquement).
• Tension émetteur-collecteur (V_ECO) :5 V. La tension inverse maximale applicable entre l'émetteur et le collecteur.
• 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.
• Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes à 1,6 mm du corps du boîtier. Ceci définit le profil thermique acceptable pour les procédés de soudure manuelle ou à la vague.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions de test spécifiques à T_A=25°C et définissent la performance typique du dispositif.

• Tension de claquage collecteur-émetteur (V_(BR)CEO) :30 V (Min). Mesurée à I_C= 1mA avec un éclairement énergétique nul (E_e= 0 mW/cm²). Ceci confirme la valeur maximale absolue.
• Tension de claquage émetteur-collecteur (V_(BR)ECO) :5 V (Min). Mesurée à I_E= 100µA avec un éclairement énergétique nul.
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) :0,4 V (Max). La chute de tension aux bornes du dispositif lorsqu'il est complètement "passant" (conducteur), mesurée à I_C= 100µA et E_e= 1 mW/cm². Un V_CE(SAT)plus faible est souhaitable pour réduire les pertes de puissance.
• Temps de montée (T_r) & Temps de descente (T_f) :10 µs (Typ) et 15 µs (Typ) respectivement. Ces paramètres définissent la vitesse de commutation du phototransistor. Mesurés dans les conditions V_CC=5V, I_C=1mA, et R_L=1kΩ. L'asymétrie est courante dans les phototransistors.
• Courant d'obscurité du collecteur (I_CEO) :100 nA (Max). C'est le courant de fuite qui circule du collecteur vers l'émetteur lorsque le dispositif est dans l'obscurité totale (E_e= 0 mW/cm²) et V_CE= 10V. Un faible courant d'obscurité est crucial pour les applications haute sensibilité afin de minimiser le bruit.

3. Explication du système de binning

Le LTR-209 utilise un système de binning pour son paramètre clé,le Courant Collecteur à l'État Passant (I_C(ON)). Le binning est un processus de contrôle qualité où les composants sont triés en fonction de leurs performances mesurées dans des groupes ou "bacs" spécifiques. Cela permet aux concepteurs de sélectionner un dispositif avec une plage de performance garantie adaptée à leur application.

3.1 Binning du courant collecteur à l'état passant

Le I_C(ON)est mesuré dans des conditions standardisées : V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², et une longueur d'onde de source infrarouge (λ) de 940nm. Le dispositif est trié dans les bacs suivants en fonction de son courant mesuré :

• BAC C :0,8 mA (Min) à 2,4 mA (Max)
• BAC D :1,6 mA (Min) à 4,8 mA (Max)
• BAC E :3,2 mA (Min) à 9,6 mA (Max)
• BAC F :6,4 mA (Min) - Aucune limite supérieure spécifiée dans cet extrait de fiche technique.

Implication pour la conception :Un circuit conçu pour des dispositifs du BAC C (courant plus faible) peut ne pas fonctionner correctement si un dispositif du BAC F (courant plus élevé) est utilisé sans recalibrage, et vice-versa. Spécifier le code de bac est crucial pour une performance système cohérente.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui illustrent comment les paramètres clés varient avec les conditions de fonctionnement. Celles-ci sont essentielles pour comprendre le comportement en conditions réelles au-delà des spécifications ponctuelles.

4.1 Courant d'obscurité du collecteur vs. Température ambiante (Fig. 1)

Ce graphique montre que I_CEO(courant d'obscurité) augmente de façon exponentielle avec la température ambiante (T_A). Par exemple, à 100°C, le courant d'obscurité peut être plusieurs ordres de grandeur plus élevé qu'à 25°C. C'est un comportement fondamental des semi-conducteurs dû à la génération thermique accrue de porteurs de charge.Considération de conception :Dans les applications à haute température, l'augmentation du courant d'obscurité peut devenir une source significative de bruit, masquant potentiellement les signaux optiques faibles. Une gestion thermique ou un conditionnement de signal peut être nécessaire.

4.2 Puissance dissipée du collecteur vs. Température ambiante (Fig. 2)

Cette courbe de déclassement montre la puissance dissipée maximale autorisée (P_C) en fonction de T_A. La valeur maximale absolue de 100 mW n'est valable qu'à ou en dessous de 25°C. Lorsque T_Aaugmente, la capacité du dispositif à dissiper la chaleur diminue, donc la puissance maximale autorisée doit être réduite linéairement. À 85°C (la température de fonctionnement maximale), la puissance dissipée autorisée est nettement inférieure.Considération de conception :Les circuits doivent être conçus pour garantir que la puissance réellement dissipée (V_CE* I_C) ne dépasse pas la valeur déclassée à la température de fonctionnement la plus élevée prévue.

4.3 Temps de montée/descente vs. Résistance de charge (Fig. 3)

Cette courbe démontre le compromis entre vitesse de commutation et amplitude du signal. Le temps de montée (T_r) et le temps de descente (T_f) augmentent tous deux avec une résistance de charge (R_L) plus grande. Un R_Lplus grand fournit une excursion de tension de sortie plus importante (ΔV = I_C* R_L) mais ralentit le temps de réponse du circuit car la capacité de jonction du transistor met plus de temps à se charger/décharger à travers la résistance plus grande.Considération de conception :La valeur de R_Ldoit être choisie en fonction de si l'application privilégie une réponse à haute vitesse (R_Lplus faible) ou un gain de tension de sortie élevé (R_Lplus élevé).

4.4 Courant collecteur relatif vs. Éclairement énergétique (Fig. 4)

Ce graphique trace le courant collecteur normalisé en fonction de la densité de puissance optique incidente (éclairement énergétique, E_e). Il montre une relation linéaire dans la plage tracée (0 à ~5 mW/cm²). Cette linéarité est une caractéristique clé des phototransistors utilisés dans les applications de détection analogique, car le courant de sortie est directement proportionnel à l'intensité lumineuse d'entrée. La courbe est présentée pour V_CE= 5V.

4.5 Diagramme de sensibilité (Fig. 5)

Bien que les axes exacts soient abrégés, un "Diagramme de Sensibilité" illustre typiquement la réponse spectrale du détecteur. Les phototransistors en silicium comme le LTR-209 sont plus sensibles à la lumière dans la région du proche infrarouge, avec un pic autour de 800-950 nm. Cela les rend idéaux pour une utilisation avec des émetteurs infrarouges courants (comme les DEL avec λ=940nm, comme référencé dans la condition de test de binning) et pour filtrer les interférences de la lumière visible.

5. Informations mécaniques et d'emballage

5.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif utilise un boîtier plastique traversant standard. Les notes dimensionnelles clés de la fiche technique incluent :

• Toutes les dimensions sont en millimètres (pouces fournis entre parenthèses).
• Une tolérance standard de ±0,25mm (±.010") s'applique sauf indication contraire.
• La saillie maximale de la résine sous la collerette est de 1,5mm (.059").
• L'espacement des broches est mesuré au point où les broches sortent du corps du boîtier, ce qui est critique pour la conception de l'empreinte PCB.

Identification de la polarité :La broche la plus longue est généralement le collecteur, et la broche la plus courte est l'émetteur. Le côté plat sur le bord du boîtier peut également indiquer le côté émetteur. Toujours vérifier avec le diagramme du boîtier.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

La recommandation principale fournie concerne la soudure manuelle ou à la vague : les broches peuvent être soumises à une température de 260°C pendant une durée maximale de 5 secondes, mesurée à une distance de 1,6mm (.063") du corps du boîtier. Cela évite les dommages thermiques à la puce semi-conductrice interne et au boîtier plastique.

Pour le soudage par refusion :Bien que non explicitement indiqué dans cette fiche technique, les boîtiers plastiques similaires nécessitent généralement un profil conforme aux normes JEDEC (par exemple, J-STD-020), avec une température de pointe ne dépassant généralement pas 260°C. Le niveau de sensibilité à l'humidité (MSL) spécifique et les exigences de pré-cuisson ne sont pas fournis ici et doivent être confirmés auprès du fabricant.

Conditions de stockage :Le dispositif doit être stocké dans la plage de température spécifiée de -55°C à +100°C dans un environnement sec et non corrosif. Pour un stockage à long terme, des précautions anti-statiques sont recommandées.

7. Suggestions d'application

7.1 Scénarios d'application typiques

• Détection d'objet & Détection de proximité :Utilisé conjointement avec une DEL IR pour détecter la présence, l'absence ou la proximité d'un objet (par exemple, dans les distributeurs automatiques, imprimantes, automatisation industrielle).
• Capteurs de fente & Encodeurs :Détecter les interruptions d'un faisceau IR pour compter des objets ou mesurer la vitesse de rotation.
• Récepteurs de télécommande :Bien que plus lents que les photodiodes dédiées, ils peuvent être utilisés dans des circuits récepteurs IR simples et économiques.
• Barrières lumineuses & Systèmes de sécurité :Créer un faisceau invisible pour la détection d'intrusion.

7.2 Considérations de conception et configuration de circuit

La configuration de circuit la plus courante est le modeémetteur commun. Le phototransistor est connecté avec le collecteur à une alimentation positive (V_CC) via une résistance de charge (R_L), et l'émetteur est connecté à la masse. La lumière incidente provoque un photocourant (I_C) qui circule, générant une tension de sortie (V_OUT) au nœud collecteur : V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). Dans l'obscurité, V_OUTest élevée (~V_CC). Lorsqu'il est éclairé, V_OUT drops.

Étapes clés de conception :

1. Sélectionner R_L:en fonction de l'excursion de sortie requise (V_CC/I_C(ON)) et de la vitesse souhaitée (voir Fig. 3). Des valeurs entre 1kΩ et 10kΩ sont courantes.
2. Considérer la bande passante :La valeur de R_L, combinée à la capacité de jonction du dispositif, forme un filtre passe-bas. Pour un fonctionnement en impulsions, assurez-vous que la constante de temps RC du circuit est beaucoup plus courte que la largeur d'impulsion.
3. Gérer la lumière ambiante :Utiliser un filtrage optique (un filtre sombre ou passe-IR sur le capteur) pour bloquer la lumière visible indésirable et réduire le bruit.
4. Compensation de température :Pour la détection analogique de précision, considérez la dépendance à la température du courant d'obscurité (Fig. 1). Les techniques incluent l'utilisation d'un capteur de référence sombre apparié dans une configuration différentielle ou la mise en œuvre d'une compensation logicielle.

8. Comparaison et différenciation technique

Comparé à d'autres détecteurs optiques :

• vs. Photodiode :Un phototransistor fournit un gain de courant inhérent (β ou h_FE), résultant en un courant de sortie beaucoup plus élevé pour le même niveau de lumière. Cela simplifie la conception du circuit car moins d'amplification ultérieure est nécessaire. Cependant, les phototransistors sont généralement plus lents (temps de montée/descente plus longs) et ont une plage linéaire plus limitée que les photodiodes.
• vs. Photodarlington :Un photodarlington offre un gain encore plus élevé qu'un phototransistor standard mais a des temps de réponse significativement plus lents et une tension de saturation (V_CE(SAT)) plus élevée. Le LTR-209 offre un bon équilibre entre gain, vitesse et chute de tension.
• Caractéristique distinctive du LTR-209 :Sonboîtier transparentet salentille intégréesont des éléments différenciateurs clés. De nombreux phototransistors concurrents utilisent des boîtiers en époxy noir qui atténuent la lumière. Le boîtier transparent du LTR-209 maximise la sensibilité, tandis que la lentille aide à focaliser la lumière entrante sur la zone active, améliorant la directivité et la force du signal.

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

9.1 Que signifie le code "BIN" et pourquoi est-il important ?

Le code BIN (C, D, E, F) catégorise le dispositif en fonction de son Courant Collecteur à l'État Passant mesuré (I_C(ON)). Il est crucial car il garantit une plage de performance spécifique. Utiliser un dispositif du mauvais bac pourrait rendre votre circuit sous-sensible ou sur-sensible, entraînant un dysfonctionnement. Spécifiez toujours le bac requis lors de la commande.

9.2 Puis-je utiliser ce capteur avec une source de lumière visible ?

Bien que le matériau en silicium réponde à la lumière visible, sa sensibilité maximale se situe dans le proche infrarouge (voir la Fig. 5 implicite). Pour des performances optimales et pour éviter les interférences de la lumière visible ambiante, il est fortement recommandé de l'associer à un émetteur infrarouge (typiquement 850nm, 880nm ou 940nm) et d'utiliser un filtre passe-IR sur le détecteur.

9.3 Comment convertir la sortie en un signal numérique ?

La méthode la plus simple est de connecter la sortie (nœud collecteur) à l'entrée d'un inverseur à déclencheur de Schmitt ou d'un comparateur avec hystérésis. Cela convertit l'excursion de tension analogique en un signal numérique propre, insensible au bruit. Le seuil du comparateur doit être réglé entre les niveaux de tension de sortie "lumière" et "obscurité".

9.4 Pourquoi ma sortie est-elle instable dans un environnement lumineux et chaud ?

Cela est probablement dû aux effets combinés d'un courant d'obscurité élevé (augmentant avec la température selon la Fig. 1) et de la réponse à la lumière ambiante. Les solutions incluent : 1) Ajouter un écran physique ou un tube pour limiter le champ de vision, 2) Utiliser une source IR modulée et une détection synchrone, 3) Mettre en œuvre un circuit de polarisation ou de compensation stable en température.

10. Étude de cas de conception pratique

Scénario :Conception d'un capteur de détection de papier pour une imprimante.

Mise en œuvre :Une DEL IR et le LTR-209 sont placés de part et d'autre du chemin du papier, alignés pour créer un faisceau. Lorsque le papier est présent, il bloque le faisceau. Le phototransistor est configuré en mode émetteur commun avec R_L= 4,7kΩ et V_CC= 5V.

Sélection des composants & Calculs :Sélectionnez un dispositif du BAC D (I_C(ON)= 1,6-4,8mA). Sans papier (faisceau intact), supposez I_C= 3mA (typique). V_OUT= 5V - (3mA * 4,7kΩ) = 5V - 14,1V = -9,1V. C'est impossible, ce qui signifie que le transistor est saturé. En saturation, V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0,4V (un signal BAS). Lorsque le papier bloque le faisceau, I_C≈ I_CEO(très faible, ~nA), donc V_OUT≈ 5V (un signal HAUT). Une broche GPIO d'un microcontrôleur peut lire ce signal HAUT/BAS directement pour détecter la présence de papier. Un condensateur de découplage (par exemple, 100nF) aux bornes d'alimentation du capteur est recommandé pour filtrer le bruit.

11. Principe de fonctionnement

Un phototransistor est un transistor bipolaire à jonction (BJT) où la région de base est exposée à la lumière. Les photons incidents avec suffisamment d'énergie créent des paires électron-trou dans la jonction base-collecteur. Ces porteurs photogénérés sont balayés par le champ électrique interne, agissant efficacement comme un courant de base. Ce "courant de base optique" est ensuite amplifié par le gain en courant du transistor (h_FE), résultant en un courant collecteur beaucoup plus important. L'amplitude de ce courant collecteur est proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente, fournissant la fonction de détection. Le boîtier transparent et la lentille du LTR-209 maximisent le nombre de photons atteignant la jonction semi-conductrice sensible.

12. Tendances technologiques

Les phototransistors comme le LTR-209 représentent une technologie mature et économique. Les tendances actuelles en optoélectronique incluent :

• Intégration :Évolution vers des solutions intégrées combinant le photodétecteur, l'amplificateur et la logique numérique (par exemple, les interrupteurs optiques avec sortie logique intégrée) sur une seule puce, réduisant le nombre de composants externes et améliorant l'immunité au bruit.
• Dispositifs CMS (Composants Montés en Surface) :Bien que les boîtiers traversants restent populaires pour le prototypage et certaines applications, l'industrie évolue fortement vers des boîtiers CMS plus petits (par exemple, SMT-3) pour l'assemblage automatisé et les conceptions à espace restreint.
• Performances améliorées :Développement de dispositifs avec des temps de réponse plus rapides, des courants d'obscurité plus faibles et une stabilité thermique améliorée pour des applications plus exigeantes dans l'automobile, l'industrie et l'électronique grand public.
• Optimisation spécifique à l'application :Les capteurs sont adaptés à des longueurs d'onde spécifiques (par exemple, pour la surveillance du rythme cardiaque à des longueurs d'onde IR spécifiques) ou avec des filtres de lumière du jour intégrés.

Le principe de fonctionnement fondamental du phototransistor reste valable, et des dispositifs comme le LTR-209 continuent d'être un choix fiable pour une vaste gamme de besoins de détection de base à intermédiaire en raison de leur simplicité, robustesse et faible coût.