Fiche technique du phototransistor LTR-301 - Boîtier latéral - Transparent clair - 30V Collecteur-Émetteur - Document technique FR

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTR-301 est un phototransistor NPN en silicium conçu pour les applications de détection infrarouge. Il est logé dans un boîtier plastique latéral avec une lentille transparente claire, optimisé pour détecter le rayonnement infrarouge, typiquement à une longueur d'onde de 940nm. Ce composant est conçu pour convertir la lumière infrarouge incidente en un courant électrique correspondant à sa borne collecteur.

La fonction principale de ce dispositif est celle d'un transducteur lumière-courant. Lorsque la lumière infrarouge frappe la région de base photosensible du transistor, elle génère des paires électron-trou. Ce courant photogénéré agit comme le courant de base, qui est ensuite amplifié par le gain en courant (bêta) du transistor, résultant en un courant de collecteur significativement plus important. Ce signal amplifié est plus facile à interfacer avec des circuits électroniques ultérieurs comme des microcontrôleurs ou des amplificateurs.

Ses avantages principaux incluent une large plage de fonctionnement pour le courant collecteur, offrant une flexibilité de conception pour différentes exigences de sensibilité. La lentille intégrée améliore sa sensibilité en focalisant la lumière incidente sur la zone active. L'orientation du boîtier latéral est particulièrement utile pour les applications où la source lumineuse est parallèle à la surface du PCB, comme dans les interrupteurs à fente ou les capteurs réfléchissants. Le boîtier transparent permet une réponse spectrale large, bien qu'il soit optimisé pour l'infrarouge.

Le marché cible de ce composant comprend l'électronique grand public, l'automatisation industrielle, les systèmes de sécurité et diverses applications de détection. Les utilisations typiques sont la détection d'objets, la détection de position, les codeurs rotatifs, la détection de papier dans les imprimantes et les interrupteurs sans contact.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

2.1 Caractéristiques 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.

• Dissipation de puissance (P_D) :100 mW. C'est la puissance totale 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 pouvant être appliquée entre les broches collecteur et émetteur lorsque la base est ouverte (pas de lumière).
• Tension Émetteur-Collecteur (V_ECO) :5 V. La tension inverse maximale autorisée entre l'émetteur et le collecteur.
• Température de fonctionnement (T_A) :-40°C à +85°C. La plage de température ambiante pour un fonctionnement fiable.
• Température de stockage (T_stg) :-55°C à +100°C.
• Température de soudure des broches :260°C pendant 5 secondes à une distance de 1,6mm du corps du boîtier. Ceci est critique pour les procédés de soudure à la vague ou manuelle.

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres sont spécifiés à une température ambiante (T_A) de 25°C et définissent les performances du dispositif dans des conditions de test spécifiques.

• Tension de claquage Collecteur-Émetteur, V_(BR)CEO:30 V (min). Testé avec I_C= 1mA et sans éclairage (E_e= 0 mW/cm²). Ceci confirme la caractéristique maximale absolue.
• Tension de claquage Émetteur-Collecteur, V_(BR)ECO:5 V (min). Testé avec I_E= 100µA et sans éclairage.
• Tension de saturation Collecteur-Émetteur, V_CE(SAT):0,4 V (max). C'est la chute de tension aux bornes du transistor lorsqu'il est complètement "passant" (saturé) avec I_C= 0,1mA sous un éclairement de 1 mW/cm². Un V_CE(SAT)faible est souhaitable pour les applications de commutation afin de minimiser 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. Mesurés avec V_CC=5V, I_C=1mA, et R_L=1kΩ. L'asymétrie est courante dans les phototransistors en raison des effets de stockage de charge.
• 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 un bon rapport signal/bruit, en particulier dans la détection en faible lumière.

3. Explication du système de binning

Le LTR-301 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 plages spécifiques ou "bacs". Cela garantit une cohérence pour l'utilisateur final.

Le paramètre trié est I_C(ON), mesuré dans des conditions standardisées : V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², et λ = 940nm. Le dispositif est trié dans l'un des huit bacs (A à H) en fonction de son courant de sortie mesuré.

• Bac A :0,20 - 0,60 mA
• Bac B :0,40 - 1,08 mA
• Bac C :0,72 - 1,56 mA
• Bac D :1,04 - 1,80 mA
• Bac E :1,20 - 2,40 mA
• Bac F :1,60 - 3,00 mA
• Bac G :2,00 - 3,84 mA
• Bac H :2,56 mA (Min)

Implication pour la conception :Lors de la conception d'un circuit, vous devez tenir compte du bac que vous utilisez. Par exemple, choisir un dispositif du bac H garantit une sensibilité minimale plus élevée que celle d'un bac A. Ceci est critique pour définir les seuils de comparateur ou les étages de gain analogique. Si votre conception nécessite un niveau de signal minimum, vous devez spécifier un code de bac qui répond à cette exigence.

4. Analyse des courbes de performance

La fiche technique fournit plusieurs courbes caractéristiques qui illustrent comment les paramètres varient avec les conditions de fonctionnement.

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

Ce graphique montre que I_CEOaugmente de façon exponentielle avec la température. À 85°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 (les courants de fuite doublent environ tous les 10°C).Considération de conception :Dans les environnements à haute température, l'augmentation du courant d'obscurité peut être confondue avec un véritable signal lumineux. Les circuits peuvent nécessiter une compensation de température ou un seuil de détection plus élevé.

4.2 Dérating de puissance du collecteur vs. Température ambiante (Fig. 2)

Cette courbe montre la dissipation de puissance maximale autorisée (P_C) diminuant linéairement lorsque la température ambiante (T_A) augmente au-dessus de 25°C. À 85°C, la dissipation de puissance maximale est considérablement réduite.Considération de conception :Assurez-vous que la puissance de fonctionnement (V_CE* I_C) reste en dessous de la ligne dératée pour la T_Amaximale attendue afin de prévenir une surcharge thermique.

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

Ce graphique démontre le compromis entre vitesse de commutation et amplitude du signal. Lorsque la résistance de charge (R_L) augmente, les temps de montée et de descente augmentent également. Un R_Lplus grand donne une excursion de tension de sortie plus grande (ΔV = I_C* R_L) mais ralentit la réponse.Considération de conception :Pour les applications haute vitesse (ex : communication de données), utilisez un R_Lplus petit. Pour maximiser la tension de sortie dans les applications plus lentes (ex : détection de lumière ambiante), un R_Lplus grand peut être utilisé.

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

C'est une caractéristique de transfert, montrant que le courant collecteur (I_C) est approximativement linéaire avec la puissance lumineuse incidente (éclairement, E_e) sur une certaine plage lorsque V_CEest fixe (5V). Cette linéarité est clé pour les applications de mesure analogique de la lumière.

4.5 Diagramme de sensibilité (Fig. 5)

Ce diagramme polaire illustre la sensibilité angulaire du dispositif. Le phototransistor est le plus sensible à la lumière arrivant perpendiculairement à la lentille (0°). La sensibilité diminue lorsque l'angle d'incidence augmente, tombant typiquement à 50% (demi-angle) à un angle spécifique (ex : ±10° à ±20° comme suggéré par le graphique).Considération de conception :Ceci définit le champ de vision. Un alignement mécanique approprié entre l'émetteur et le détecteur est crucial. Il peut également être utilisé pour rejeter la lumière parasite provenant de directions non souhaitées.

5. Informations mécaniques et de boîtier

Le dispositif utilise un boîtier plastique latéral, transparent clair. Le terme "latéral" indique que la zone photosensible est sur le côté du boîtier, parallèle aux broches, plutôt que sur le dessus. Ceci est idéal pour la détection dans le plan du PCB.

Notes dimensionnelles clés :

• Toutes les dimensions sont en millimètres, avec une tolérance générale de ±0,25mm sauf indication contraire.
• 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.
• Le boîtier comprend une lentille moulée dans le plastique pour améliorer l'efficacité de collecte optique.

Identification de polarité :La broche la plus longue est typiquement le Collecteur. Cependant, reportez-vous toujours au dessin du boîtier dans la fiche technique complète pour une identification définitive, souvent indiquée par un côté plat sur le boîtier ou un marqueur sur la lentille.

6. Recommandations de soudure et d'assemblage

Le paramètre critique fourni est la température de soudure des broches : 260°C maximum pendant 5 secondes, mesurée à un point situé à 1,6mm (0,063") du corps du boîtier. C'est une valeur standard pour les composants traversants.

Recommandations de procédé :

• Soudure à la vague :Assurez-vous que le profil de température ne dépasse pas la limite spécifiée à la jonction broche/boîtier. Le préchauffage est essentiel pour minimiser le choc thermique.
• Soudure manuelle :Utilisez un fer à souder à température contrôlée. Appliquez la chaleur à la jonction broche/pastille rapidement et efficacement, en évitant un contact prolongé avec le corps du composant.
• Nettoyage :Utilisez des agents de nettoyage compatibles avec le matériau du boîtier plastique. Évitez le nettoyage par ultrasons sauf s'il est vérifié comme sûr pour le dispositif.
• Stockage :Stockez dans un environnement sec et antistatique dans la plage de température spécifiée (-55°C à +100°C) pour éviter l'absorption d'humidité (qui peut provoquer l'effet "pop-corn" pendant le refusion) et les dommages par décharge électrostatique.

7. Notes d'application et considérations de conception

7.1 Circuits d'application typiques

1. Interrupteur numérique (Détection d'objet) :Le phototransistor est utilisé en série avec une résistance de rappel (R_L) connectée à V_CC. Le nœud collecteur est connecté à une entrée numérique (ex : GPIO de microcontrôleur ou trigger de Schmitt). Dans l'obscurité, I_Cest très faible (I_CEO), donc la sortie est tirée au niveau haut vers V_CC. Lorsqu'il est éclairé, I_Caugmente, tirant la tension de sortie vers le bas vers V_CE(SAT). La valeur de R_Lest choisie en fonction de la vitesse de commutation souhaitée (voir Fig. 3) et du niveau bas de logique requis : R_L≈ (V_CC- V_CE(SAT)) / I_C(ON).

2. Luxmètre analogique :Le phototransistor est connecté dans une configuration similaire, mais la tension du collecteur est envoyée à une entrée Convertisseur Analogique-Numérique (CAN). En raison de la linéarité approximative montrée en Fig. 4, la lecture du CAN peut être corrélée à l'intensité lumineuse. Un R_Lplus élevé fournit une excursion de tension plus grande pour une meilleure résolution du CAN mais réduit la bande passante.

7.2 Facteurs de conception critiques

• Appariement de la source :Pour des performances optimales, associez le phototransistor avec une LED émettrice infrarouge à la même longueur d'onde de crête (940nm).
• Charge électrique :Le phototransistor est une source de courant. La résistance de charge convertit ce courant en tension. Choisissez R_Lpour équilibrer le niveau de signal, la vitesse et la consommation d'énergie.
• Rejet de la lumière ambiante :Le dispositif répond à toute la lumière, pas seulement à l'IR. Utilisez des filtres optiques (plastique noir transmettant l'IR) ou des sources lumineuses modulées (pulsées) avec une détection synchrone pour rejeter le bruit lumineux ambiant 50/60Hz et la lumière ambiante continue.
• Polarisation :Assurez-vous que le V_CEde fonctionnement est dans la plage recommandée (bien en dessous de 30V) et que la dissipation de puissance (V_CE* I_C) est dans les limites, en particulier à haute température.

8. Comparaison et différenciation techniques

Comparé à une photodiode, un phototransistor fournit un gain interne, produisant un signal de sortie beaucoup plus important pour la même entrée lumineuse, simplifiant la conception de l'amplificateur ultérieur. Cependant, cela se fait au détriment de temps de réponse plus lents (µs vs. ns pour les photodiodes) et d'une sensibilité plus élevée du courant d'obscurité à la température.

Les différenciateurs spécifiques du LTR-301 sont sonboîtier latéral, qui n'est pas aussi courant que les types à vision supérieure, et salentille claire(contrairement aux teintées ou noires). La lentille claire offre une réponse spectrale plus large, ce qui peut être un avantage ou un inconvénient selon le besoin de rejet de la lumière visible. Le système de binning détaillé permet une sélection précise de la sensibilité, ce qui est un avantage clé pour la production en série nécessitant des performances constantes.

9. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Quelle est la différence entre les Bacs ? Lequel dois-je choisir ?

R : Les bacs catégorisent les dispositifs par leur sensibilité (I_C(ON)). Choisissez un bac en fonction du courant de signal minimum requis par votre circuit. Pour une sensibilité/portée plus élevée, choisissez un bac supérieur (ex : H). Pour les applications sensibles au coût où une sensibilité plus faible est acceptable, un bac inférieur (ex : A) peut suffire.

Q : Pourquoi mon signal de sortie est-il bruyant ou instable ?

R : Ceci est souvent causé par la lumière ambiante (soleil, lampes fluorescentes) ou du bruit électrique. Les solutions incluent : 1) Utiliser une source IR modulée et filtrer le signal reçu. 2) Ajouter un condensateur (10nF - 100nF) en parallèle avec la résistance de charge R_Lpour filtrer le bruit haute fréquence (cela ralentira la réponse). 3) Assurer une bonne mise à la terre et un blindage approprié.

Q : Puis-je l'utiliser avec une source de lumière visible ?

R : Oui, le boîtier transparent signifie qu'il répondra également à la lumière visible ainsi qu'à l'IR. Cependant, sa sensibilité est typiquement caractérisée et optimisée pour l'IR 940nm. La réponse à la lumière visible sera différente et n'est pas garantie par la fiche technique.

Q : Comment calculer la responsivité ou la sensibilité ?

R : La responsivité n'est pas donnée directement. Vous pouvez l'estimer à partir de la spécification I_C(ON). Par exemple, pour le bac E (min 1,20mA à 1 mW/cm²), la responsivité minimale est d'environ 1,20 mA / (1 mW/cm²) = 1,20 mA/(mW/cm²). Notez que c'est une estimation grossière car la surface active n'est pas spécifiée.

10. Exemple pratique d'utilisation

Scénario : Détection de papier dans une imprimante.Un capteur réfléchissant est construit en utilisant le LTR-301 et une LED IR. Ils sont placés côte à côte face au chemin du papier. La LED IR émet constamment de la lumière. Lorsqu'il n'y a pas de papier, la lumière se réfléchit faiblement sur une surface distante, et la sortie du phototransistor est basse. Lorsque le papier passe directement sous le capteur, il réfléchit un signal fort vers le phototransistor, provoquant une forte augmentation de I_Cet une chute de tension correspondante au nœud collecteur.

Étapes de conception :

1. Sélectionnez un bac (ex : Bac D ou E) qui fournit suffisamment de courant de signal à partir de la réflexion attendue du papier.

2. Choisissez R_L. Pour une alimentation de 5V et une tension logique basse cible de 0,8V, et en utilisant I_C(ON,min)pour le bac D (1,04mA) : R_L≤ (5V - 0,8V) / 1,04mA ≈ 4,0kΩ. Une résistance standard de 3,3kΩ serait appropriée, offrant une bonne marge de signal.

3. Connectez le nœud collecteur à un comparateur ou à une broche d'interruption de microcontrôleur. Définissez une tension de seuil à l'entrée inverseuse du comparateur (ex : 2,5V) pour détecter de manière fiable la présence/absence de papier.

4. Alignez mécaniquement le capteur de sorte que le faisceau de la LED IR et le champ de vision du phototransistor se croisent à la surface du papier.

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'une connexion électrique. Dans un phototransistor NPN comme le LTR-301 :

1. Les photons infrarouges avec suffisamment d'énergie (longueur d'onde ≤ 1100nm pour le silicium) pénètrent le boîtier transparent et sont absorbés dans le matériau semi-conducteur, principalement dans la région de déplétion base-collecteur.
2. Cette absorption crée des paires électron-trou.
3. Le champ électrique dans la jonction base-collecteur polarisée en inverse sépare ces porteurs : les électrons vers le collecteur, les trous vers la base.
4. L'accumulation de trous dans la région de base abaisse la barrière de potentiel base-émetteur, agissant effectivement comme un courant de base positif (I_B).
5. Ce courant de base photogénéré est ensuite amplifié par le gain en courant du transistor (β ou h_FE), résultant en un courant collecteur : I_C= β * I_B(photo). C'est la source du gain du dispositif.

Le boîtier latéral positionne cette jonction photosensible sur le côté, avec une lentille pour focaliser la lumière incidente afin d'améliorer l'efficacité.

12. Tendances technologiques

Les phototransistors comme le LTR-301 représentent une technologie mature et économique. Les tendances actuelles en optodétection incluent :

• Intégration :Évolution vers des solutions intégrées combinant le photodétecteur, l'amplificateur, le numériseur et la logique (ex : capteurs de lumière à sortie I²C) sur une seule puce, réduisant le nombre de composants externes et simplifiant la conception.
• Miniaturisation :Développement de phototransistors dans des boîtiers CMS (composants montés en surface) plus petits pour les applications à espace restreint.
• Spécialisation :Les dispositifs avec des filtres spectraux intégrés (ex : pour la détection RVB ou des bandes IR spécifiques) ou des filtres bloquant la lumière du jour deviennent plus courants pour un fonctionnement robuste dans des environnements variés.
• Vitesse :Bien que les phototransistors soient généralement plus lents que les photodiodes, des développements sont en cours pour améliorer leur bande passante pour les applications de communication de données (ex : télécommande IR, liaisons optiques de données simples).

Malgré ces tendances, les phototransistors discrets restent très pertinents en raison de leur simplicité, leur faible coût, leur haute sensibilité et la flexibilité de conception qu'ils offrent en configurant le gain et la bande passante via des composants externes.