Fiche technique du phototransistor LTR-1650D - Dimensions du boîtier 5,0x4,0x3,2mm - Tension 30V - Puissance 100mW - Boîtier transparent sombre - Document technique en français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-1650D est un phototransistor NPN en silicium conçu pour les applications de détection infrarouge. Il est logé dans un boîtier plastique transparent sombre à faible coût, qui permet un filtrage efficace de la lumière visible tout en transmettant les longueurs d'onde infrarouges, principalement autour de 940 nm. La lentille intégrée améliore la sensibilité du dispositif en focalisant le rayonnement infrarouge incident sur la zone active du transistor. Ce composant est conçu pour la fiabilité et les performances sur une large plage de températures de fonctionnement, le rendant adapté à divers systèmes de détection et de contrôle.

2. Caractéristiques clés et avantages fondamentaux

• Large plage de courant collecteur :Le dispositif offre plusieurs classes de performance (A à F) fournissant un large choix de courant collecteur à l'état passant (IC(ON)) de 0,2 mA minimum à plus de 9,6 mA maximum, permettant aux concepteurs de sélectionner une pièce correspondant à des exigences de sensibilité spécifiques.
• Lentille haute sensibilité :La lentille en époxy intégrée augmente la surface de collecte effective pour la lumière infrarouge, améliorant le rapport signal/bruit et la réponse globale.
• Boîtier plastique économique :Utilise un boîtier plastique standard et économique pour la production de masse et une large adoption sur le marché.
• Boîtier transparent sombre spécial :Le matériau du boîtier est teinté pour atténuer la lumière visible, réduisant les interférences des sources de lumière ambiante et améliorant les performances dans des environnements à conditions lumineuses fluctuantes.

3. Analyse approfondie des paramètres techniques

3.1 Valeurs maximales absolues

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

• Puissance dissipée (P_D) :100 mW à T_A=25°C. C'est la puissance maximale que le dispositif peut dissiper en toute sécurité sous forme de chaleur.
• Tension collecteur-émetteur (V_CEO) :30 V. La tension maximale pouvant être appliquée entre les bornes collecteur et émetteur avec la base ouverte.
• Tension émetteur-collecteur (V_ECO) :5 V. La tension inverse maximale applicable entre l'émetteur et le collecteur.
• Plage de température de fonctionnement (T_opr) :-40°C à +85°C. La plage de température ambiante sur laquelle le fonctionnement du dispositif est spécifié.
• Plage de température de stockage (T_stg) :-55°C à +100°C.
• Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes à une distance de 1,6 mm du corps du boîtier. Ceci est critique pour les procédés de soudure à la vague ou par refusion.

3.2 Caractéristiques électriques et optiques (T_A=25°C)

Les paramètres suivants sont testés dans des conditions spécifiques et définissent les performances du dispositif.

• Tension de claquage collecteur-émetteur (V_(BR)CEO) :30 V (Min). Testé à I_C= 1mA sans éclairement (E_e= 0 mW/cm²).
• Tension de claquage émetteur-collecteur (V_(BR)ECO) :5 V (Min). Testé à I_E= 100µA sans éclairement.
• Tension de saturation collecteur-émetteur (V_CE(SAT)) :0,4 V (Max). La chute de tension aux bornes du transistor lorsqu'il est complètement "passant", testée à I_C= 100µA et E_e= 1 mW/cm². Un V_CE(SAT) faible est souhaitable pour une commutation efficace.
• Temps de montée (T_r) & Temps de descente (T_f) :10 µs (Typ). Ces paramètres de vitesse de commutation sont mesurés avec V_CC=5V, I_C=1mA, et R_L=1kΩ. Ils déterminent la rapidité avec laquelle le phototransistor peut répondre aux changements d'intensité lumineuse.
• Courant d'obscurité du collecteur (I_CEO) :100 nA (Max). C'est le courant de fuite circulant dans le collecteur lorsque le dispositif est dans l'obscurité totale (E_e= 0 mW/cm²) avec V_CE= 10V. Un faible courant d'obscurité est essentiel pour un bon rapport signal/bruit dans la détection en faible lumière.

3.3 Système de classement du courant collecteur à l'état passant (I_C(ON))

Le LTR-1650D est catégorisé en différentes classes basées sur sa sensibilité, définie par le courant collecteur à l'état passant mesuré dans des conditions standardisées (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm). Ceci permet une sélection précise basée sur les exigences de gain de l'application.

• Classe A :0,2 - 0,6 mA
• Classe B :0,4 - 1,2 mA
• Classe C :0,8 - 2,4 mA
• Classe D :1,6 - 4,8 mA
• Classe E :3,2 - 9,6 mA
• Classe F :6,4 mA (Min)

Les concepteurs doivent consulter le code de classe spécifique lors de la commande pour s'assurer que le phototransistor répond aux besoins de sensibilité et de courant de sortie du circuit.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui illustrent comment les paramètres clés varient avec les conditions environnementales et électriques.

4.1 Courant d'obscurité du collecteur en fonction de la température ambiante (Fig. 1)

Cette courbe montre que le courant d'obscurité du collecteur (I_CEO) augmente de façon exponentielle avec la température ambiante. C'est un comportement fondamental des semi-conducteurs où les porteurs de charge générés thermiquement deviennent plus prévalents. Dans les applications à haute température, ce courant de fuite accru peut devenir une source de bruit significative et doit être pris en compte dans la conception du seuil de l'amplificateur de détection.

4.2 Puissance dissipée du collecteur en fonction de la température ambiante (Fig. 2)

Le graphique représente la déclassement de la puissance dissipée maximale admissible à mesure que la température ambiante augmente. À 25°C, le dispositif peut supporter 100 mW. Lorsque la température augmente, cette valeur diminue linéairement. Pour un fonctionnement fiable au-dessus de 25°C, la puissance réellement dissipée (V_CE* I_C) doit être maintenue en dessous de la courbe déclassée. Ceci est crucial pour prévenir l'emballement thermique et assurer la fiabilité à long terme.

4.3 Temps de montée et de descente en fonction de la résistance de charge (Fig. 3)

Cette courbe démontre le compromis entre la vitesse de commutation et la résistance de charge (R_L). Les temps de montée et de descente augmentent avec des résistances de charge plus grandes. C'est parce qu'un R_L plus grand crée une constante de temps RC plus importante avec la capacité de jonction du phototransistor. Pour les applications nécessitant une détection d'impulsions rapides, une résistance de charge plus petite doit être utilisée, bien qu'au détriment d'une amplitude de tension de sortie réduite.

4.4 Courant collecteur relatif en fonction de l'éclairement (Fig. 4)

Ce graphique montre la relation entre l'éclairement infrarouge incident (E_e) et le courant collecteur résultant. La réponse est généralement linéaire sur une certaine plage, ce qui est idéal pour les applications de détection de lumière analogique. La pente de cette ligne représente la réponse du dispositif. Comprendre cette caractéristique est essentiel pour calibrer la sortie du capteur à un niveau d'intensité lumineuse spécifique.

4.5 Diagramme de sensibilité (Fig. 5)

Ce diagramme polaire illustre la dépendance angulaire de la sensibilité du phototransistor. La sensibilité est généralement la plus élevée lorsque la lumière infrarouge est incidente perpendiculairement à la lentille (0°). Elle diminue à mesure que l'angle d'incidence augmente. Cette caractéristique est vitale pour concevoir le chemin optique dans une application, comme assurer un alignement correct dans un interrupteur à fente ou définir le champ de vision pour un capteur de proximité.

5. Informations mécaniques et sur le boîtier

5.1 Dimensions du boîtier

Le dispositif utilise un boîtier radial à broches standard de 3 mm (T-1). Les dimensions clés incluent :

• Diamètre du corps du boîtier : Environ 5,0 mm.
• Hauteur du boîtier : Environ 3,2 mm (hors broches).
• Espacement des broches : Mesuré là où les broches sortent du boîtier, typiquement 2,54 mm (0,1").
• Une protubérance de résine maximale de 1,5 mm sous la collerette est autorisée.

Note :Toutes les dimensions sont en millimètres avec une tolérance standard de ±0,25 mm sauf indication contraire. Les concepteurs doivent se référer au dessin mécanique détaillé pour une planification précise de l'empreinte et du placement.

5.2 Identification de la polarité

Le phototransistor a deux broches : le Collecteur et l'Émetteur. La broche la plus longue est généralement le Collecteur. Le boîtier peut également avoir un côté plat ou un autre marquage près de la broche du Collecteur. Une polarité correcte est essentielle pour le bon fonctionnement du circuit et l'application de la tension de polarisation correcte.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

• Soudure manuelle :Utilisez un fer à souder à température contrôlée. Limitez le temps de soudure pour éviter un transfert de chaleur excessif vers la puce semi-conductrice.
• Soudure à la vague/par refusion :Respectez strictement la valeur maximale : 260°C pendant 5 secondes, mesurée à 1,6 mm du corps du boîtier. Dépasser cette limite peut endommager les fils de liaison internes ou le boîtier en époxy.
• Nettoyage :Utilisez des solvants appropriés compatibles avec la résine époxy transparente sombre. Évitez le nettoyage par ultrasons sauf s'il est vérifié comme sûr pour le boîtier.
• Stockage :Stockez dans un environnement sec et anti-statique dans la plage de température spécifiée de -55°C à +100°C pour éviter l'absorption d'humidité (qui peut provoquer l'effet "pop-corn" pendant la refusion) et les dommages par décharge électrostatique.

7. Suggestions d'application et considérations de conception

7.1 Scénarios d'application typiques

• Détection & Interruption d'objet :Utilisé dans les interrupteurs optiques à fente (ex. : détection de papier dans les imprimantes, détection de fin de course dans les imprimantes 3D).
• Détection de proximité :Couplé avec une LED infrarouge pour la détection sans contact d'objets.
• Encodeurs :Détection de motifs sur des disques rotatifs pour la mesure de vitesse ou de position.
• Contrôle industriel :Détection dans les équipements automatisés où une immunité à la lumière ambiante est requise.
• Électronique grand public :Récepteurs de télécommande IR (bien qu'utilisés souvent avec des circuits intégrés dédiés, un phototransistor peut former l'étage d'entrée).

7.2 Considérations de conception critiques

• Circuit de polarisation :Le phototransistor peut être utilisé soit en configuration interrupteur (émetteur commun), soit en suiveur (émetteur-suiveur). La configuration émetteur commun fournit un gain en tension et est courante pour la commutation numérique. Une résistance de tirage (R_L) est requise.
• Sélection de R_L:La valeur de la résistance de charge implique un compromis. Un R_L plus grand donne une amplitude de tension de sortie plus importante pour un photocourant donné mais ralentit la vitesse de commutation (voir Fig. 3). Choisissez en fonction de la vitesse et du niveau de signal requis.
• Rejet de la lumière ambiante :Bien que le boîtier sombre aide, des sources IR ambiantes fortes (soleil, ampoules à incandescence) peuvent saturer le capteur. Envisagez d'utiliser des filtres optiques, de moduler la source IR et d'utiliser des techniques de détection synchrone.
• Compensation de température :Pour une détection analogique de précision, la variation du courant d'obscurité et de la sensibilité avec la température (Figs. 1 & 2) doit être compensée dans le circuit de conditionnement du signal.
• Bruit électrique :Le nœud à haute impédance au collecteur peut être sensible aux interférences électromagnétiques (IEM). Gardez les pistes courtes, utilisez un blindage si nécessaire, et envisagez d'ajouter un petit condensateur (ex. : 10-100 pF) en parallèle avec R_L pour filtrer le bruit haute fréquence, en tenant compte de son impact sur la vitesse.

8. Comparaison et différenciation technique

Comparé à une photodiode basique, un phototransistor comme le LTR-1650D fournit un gain interne, produisant un courant de sortie beaucoup plus important pour la même entrée lumineuse, ce qui élimine souvent le besoin d'un amplificateur externe supplémentaire dans les applications de commutation simples. Comparé à un transistor photo-Darlington, il offre des temps de réponse plus rapides (µs contre dizaines/centaines de µs) mais un gain plus faible. Le système de classement spécifique pour I_C(ON) permet une conception de système plus précise par rapport aux dispositifs avec une spécification unique et large. Le boîtier transparent sombre est un différenciateur clé par rapport aux boîtiers transparents, offrant une suppression intégrée de la lumière visible.

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

9.1 Que signifie la spécification "BIN" et comment choisir ?

Le code BIN (A à F) spécifie la plage garantie de sensibilité du phototransistor (I_C(ON)). Choisissez une classe en fonction du courant de sortie requis pour votre niveau d'éclairement spécifique. Pour les applications à sensibilité plus élevée/faible niveau de lumière, sélectionnez une classe avec une lettre plus élevée (ex. : E ou F). Pour les applications sensibles au coût où un gain élevé n'est pas critique, une classe inférieure (A ou B) peut suffire.

9.2 Pourquoi le courant d'obscurité est-il important ?

Le courant d'obscurité (I_CEO) est le signal de sortie présent lorsqu'aucune lumière n'est incidente. Il fixe la limite inférieure de lumière détectable et agit comme une source de bruit. Dans les applications de commutation numérique, le seuil de détection du circuit doit être réglé au-dessus du courant d'obscurité maximal attendu, surtout à haute température où il augmente significativement.

9.3 Comment la résistance de charge affecte-t-elle les performances ?

La résistance de charge (R_L) affecte directement deux paramètres clés :La Tension de Sortie(V_out= I_C* R_L) etLa Vitesse de Commutation(voir Fig. 3). Vous devez sélectionner R_L pour obtenir l'amplitude de tension nécessaire pour vos niveaux logiques ou l'entrée ADC, tout en vous assurant que les temps de montée/descente sont suffisamment rapides pour le débit de données ou le temps de réponse de votre application.

9.4 Puis-je l'utiliser en plein soleil ?

Le boîtier transparent sombre fournit un certain rejet, mais la lumière directe du soleil contient un rayonnement infrarouge intense qui peut facilement saturer le capteur. Pour une utilisation en extérieur, des mesures supplémentaires sont obligatoires : un ombrage physique (capot), des filtres optiques à bande étroite centrés sur la longueur d'onde de votre source IR (ex. : 940 nm), et de préférence, l'utilisation d'une source IR modulée avec une détection synchrone dans le circuit récepteur pour distinguer le signal de la composante DC stable de la lumière du soleil.

10. Étude de cas pratique de conception et d'utilisation

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

1. Sélection :Choisissez une classe de sensibilité moyenne (ex. : Classe C ou D) pour assurer un déclenchement fiable sans être trop sensible à la poussière ou aux reflets.
2. Configuration du circuit :Utilisez une configuration interrupteur en émetteur commun. Associez le LTR-1650D avec une LED infrarouge (ex. : 940 nm) placée du côté opposé du chemin du papier.
3. Dimensionnement des composants :Sélectionnez une valeur de R_L (ex. : 4,7 kΩ) qui fournit une sortie logique basse (proche de 0 V) lorsque le papier est présent (bloquant la lumière, I_C est faible) et une sortie logique haute (proche de V_CC) lorsque le papier est absent (lumière présente, I_C est élevé). Vérifiez que les niveaux de tension sont compatibles avec les broches d'entrée du microcontrôleur.
4. Immunité au bruit :Ajoutez un condensateur de 10 nF en parallèle avec R_L pour supprimer le bruit électrique des moteurs de l'imprimante. La vitesse résultante (~100 µs) est toujours bien plus rapide que le mouvement mécanique du papier.
5. Alignement :Utilisez le diagramme de sensibilité (Fig. 5) pour guider la conception mécanique. Assurez-vous que la LED IR et le phototransistor sont alignés dans le cône de haute sensibilité (ex. : ±20°) pour maximiser la force du signal.
6. Tests :Testez le capteur dans les pires conditions : haute température (pour vérifier l'augmentation du courant d'obscurité) et avec différents types de papier (certains peuvent être plus translucides aux IR).

11. 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'être fourni électriquement. Les photons incidents dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite du semi-conducteur sont absorbés dans la région de jonction base-collecteur, créant des paires électron-trou. Le champ électrique dans la jonction collecteur-base polarisée en inverse balaie ces porteurs, générant effectivement 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_FE), résultant en un courant collecteur beaucoup plus important (I_C= h_FE* I_B). Cette amplification interne est l'avantage clé par rapport à une simple photodiode. Le matériau du boîtier transparent sombre agit comme un filtre passe-haut, permettant aux longueurs d'onde infrarouges (comme 940 nm) de passer tout en absorbant les longueurs d'onde visibles plus courtes, améliorant ainsi le rapport signal/bruit dans des environnements avec lumière visible.

12. Tendances et évolutions de l'industrie

Le secteur de l'optoélectronique continue d'évoluer. Alors que les phototransistors discrets comme le LTR-1650D restent essentiels pour les applications à coût sensible, à grand volume ou à performances spécifiques, les tendances plus larges incluent :

• Intégration :Intégration croissante du photodétecteur avec des amplificateurs d'étage d'entrée analogique, des convertisseurs analogique-numérique (CAN) et une logique numérique dans des solutions à puce unique (ex. : capteurs de lumière ambiante, modules de capteur de proximité). Ceux-ci offrent une sortie numérique calibrée, une empreinte plus petite et une conception simplifiée mais peuvent avoir un coût unitaire plus élevé.
• Miniaturisation :Demande de tailles de boîtier plus petites (ex. : boîtiers à l'échelle de la puce) pour s'adapter à l'électronique grand public toujours plus compacte.
• Performances améliorées :Développement de dispositifs avec des courants d'obscurité plus faibles, des temps de réponse plus rapides (dans la gamme nanoseconde) et une sensibilité plus élevée pour des applications plus exigeantes comme le LiDAR et la communication à haute vitesse.
• Spécialisation :Capteurs adaptés à des longueurs d'onde spécifiques (ex. : pour la surveillance du rythme cardiaque, la détection de gaz) ou avec des filtres spectraux intégrés.

Les phototransistors discrets devraient probablement maintenir leur position dans les applications où leur simplicité, robustesse, faible coût et caractéristiques de performance spécifiques (comme le boîtier sombre du LTR-1650D) fournissent une solution optimale.