Scheda Tecnica Fotodiodo LTR-C155DD-G - Lunghezza d'Onda di Picco 940nm - Tensione Inversa 5V - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTR-C155DD-G è un componente discreto a fotodiodo a infrarossi progettato per applicazioni di rilevamento nello spettro del vicino infrarosso. Fa parte di un'ampia famiglia di dispositivi optoelettronici destinati all'uso in sistemi che richiedono un rilevamento affidabile di segnali infrarossi. La sua funzione principale è convertire la luce infrarossa incidente in una corrente elettrica, consentendone l'uso come elemento ricevitore o sensore.

1.1 Vantaggi Principali e Mercato di Riferimento

Questo componente offre diversi vantaggi chiave per i progettisti. Presenta un elevato rapporto segnale-rumore, fondamentale per distinguere i comandi infrarossi validi dal rumore della luce ambientale in ambienti come salotti o uffici. Il dispositivo è compatibile con apparecchiature di posizionamento automatico e processi di saldatura a rifusione a infrarossi, rendendolo adatto a linee di produzione automatizzate ad alto volume. I suoi principali mercati di riferimento includono l'elettronica di consumo per sistemi di telecomando, i sistemi di sicurezza e allarme per il rilevamento di movimento o fascio, e varie applicazioni che coinvolgono la trasmissione di dati a infrarossi a corto raggio.

1.2 Caratteristiche

• Conforme alle direttive RoHS e Prodotto Verde.
• Dotato di un package a vista dall'alto con lente piatta trasparente per una risposta angolare uniforme.
• Fornito su nastro da 8mm avvolto su bobine da 7 pollici di diametro per l'assemblaggio automatizzato.
• Compatibile con apparecchiature di posizionamento automatico (pick-and-place).
• Resiste ai processi standard di saldatura a rifusione a infrarossi.
• Confezionato in un fattore di forma standard EIA.

1.3 Applicazioni

• Moduli ricevitori a infrarossi per telecomandi (TV, condizionatori, decoder).
• Sensori a infrarossi montati su PCB per rilevamento di prossimità o oggetti.
• Sistemi di allarme sicurezza che utilizzano fasci infrarossi.
• Semplici collegamenti per trasmissione dati wireless a infrarossi.

2. Parametri Tecnici: Interpretazione Oggettiva Approfondita

Le caratteristiche elettriche e ottiche definiscono i limiti operativi e le prestazioni del fotodiodo. Comprendere questi parametri è essenziale per una corretta progettazione del circuito e per garantire un funzionamento affidabile nell'applicazione prevista.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori specificano i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Non sono per il funzionamento continuo.

• Dissipazione di Potenza (Pd):Massimo 150 mW. Questa è la potenza totale che il dispositivo può dissipare come calore, principalmente dalla corrente di polarizzazione inversa e da qualsiasi fotocorrente sotto elevata illuminazione.
• Tensione Inversa (VR):Massimo 30 V. Applicare una tensione superiore a questa in direzione inversa può causare la rottura e danneggiare la giunzione del fotodiodo.
• Intervallo di Temperatura Operativa (TA):-40°C a +85°C. Il dispositivo è garantito per funzionare entro questo intervallo di temperatura ambiente.
• Intervallo di Temperatura di Stoccaggio (Tstg):-55°C a +100°C. Il dispositivo può essere stoccato senza funzionamento entro questi limiti.
• Condizione di Saldatura a Infrarossi:Resiste a una temperatura di picco di 260°C per 10 secondi, in linea con i profili tipici di rifusione senza piombo (Pb-free).

2.2 Caratteristiche Elettriche & Ottiche (TA=25°C)

Questi sono i parametri di prestazione tipici e garantiti in condizioni di test specificate.

• Tensione Diretta (Vf):Da 0.4V a 1.0V con If=1mA. Questo parametro è rilevante se il fotodiodo è polarizzato direttamente per errore; non è la sua modalità operativa normale.
• Tensione di Rottura Inversa V(BR):Minimo 30V con IR=100µA. Ciò conferma che il dispositivo può gestire in sicurezza la tensione inversa massima nominale.
• Corrente Oscura Inversa (ID):Massimo 100 nA con VR=5V, Ee=0mW/cm². Questa è la corrente di dispersione quando non è presente luce. Una corrente oscura più bassa migliora la sensibilità ai segnali deboli.
• Tensione a Circuito Aperto (VOC):Massimo 0.4V con λ=940nm, Ee=0.5mW/cm². Questa è la tensione generata dal fotodiodo in modalità fotovoltaica (nessuna polarizzazione esterna) sotto illuminazione.
• Tempo di Salita (Tr) & Tempo di Discesa (Tf):Tipicamente 0.30µs e 0.28µs, rispettivamente, con VR=10V, RL=1kΩ. Questi parametri definiscono la velocità di commutazione, rendendo il dispositivo adatto alla decodifica di segnali infrarossi modulati (es., da telecomandi che operano a 38-40 kHz).
• Corrente Luminosa Inversa (Ip):Tipicamente 16 µA (min 10 µA) con VR=5V, λ=940nm, Ee=1mW/cm². Questa è la fotocorrente generata quando il diodo è polarizzato inversamente, che è la modalità operativa standard per una risposta lineare e la velocità.
• Corrente di Cortocircuito (Is):Tipicamente 16 µA nelle stesse condizioni di Ip. In modalità fotovoltaica, questa è la corrente massima che il dispositivo può fornire.
• Capacità Totale (CT):Tipicamente 14 pF con VR=3V, f=1MHz. Questa capacità di giunzione influisce sulla risposta alle alte frequenze; una capacità inferiore consente una larghezza di banda maggiore.
• Lunghezza d'Onda di Rilevamento di Picco (λp):Tipicamente 910 nm. Il fotodiodo è più sensibile alla luce infrarossa a questa lunghezza d'onda, rendendolo ideale per l'abbinamento con diodi emettitori a infrarossi (IRED) da 940nm.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

I grafici forniti offrono una visione visiva del comportamento del dispositivo in condizioni variabili.

3.1 Fotocorrente vs. Irradianza

La curva mostra la relazione tra la potenza della luce incidente (irradianza Ee) e la fotocorrente generata (Ip). Per un fotodiodo che opera nella regione lineare (polarizzato inversamente), questa relazione è tipicamente lineare. Il grafico conferma che con 1 mW/cm² di luce a 940nm, la fotocorrente è di circa 16 µA, come indicato in tabella. Questa linearità è cruciale per le applicazioni di sensori analogici.

3.2 Sensibilità Spettrale

Questo grafico traccia la sensibilità radiante relativa in funzione della lunghezza d'onda. Mostra un picco attorno a 910nm e una risposta significativa nell'intervallo di circa 800nm a 1050nm. La sensibilità cala bruscamente per la luce visibile (sotto i 700nm), il che è vantaggioso per respingere il rumore della luce ambientale da fonti come lampadine a incandescenza o luce solare. L'inclusione di un filtro, come menzionato nella descrizione, renderebbe questo taglio ancora più netto.

3.3 Dissipazione di Potenza Totale vs. Temperatura Ambiente

Questa curva di derating illustra come la massima dissipazione di potenza ammissibile diminuisca all'aumentare della temperatura ambiente. A 25°C, sono ammissibili tutti i 150 mW. Man mano che la temperatura sale verso il limite operativo massimo di 85°C, la dissipazione di potenza ammissibile diminuisce linearmente. Questo è fondamentale per la gestione termica nella progettazione dell'applicazione per prevenire il surriscaldamento.

3.4 Diagramma di Sensibilità Angolare

Il diagramma polare raffigura la sensibilità relativa a diversi angoli della luce incidente. Un fotodiodo con lente piatta, come questo, tipicamente ha un angolo di visione relativamente ampio (spesso attorno a ±60 gradi dove la sensibilità scende al 50%). Questo ampio angolo è vantaggioso per i ricevitori che devono catturare segnali da un'ampia area senza un allineamento preciso.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni di Contorno

Il dispositivo è conforme a un contorno di package standard del settore. Le dimensioni chiave includono la dimensione del corpo, la spaziatura dei terminali e l'altezza complessiva. Il package è progettato per la tecnologia a montaggio superficiale (SMT). Tutte le dimensioni sono in millimetri con una tolleranza standard di ±0.1mm salvo diversa indicazione.

4.2 Identificazione della Polarità e Progetto dei Pad di Saldatura

Il catodo è tipicamente contrassegnato sul package. La scheda tecnica fornisce le dimensioni consigliate per i pad di saldatura nel layout del PCB. Un progetto di pad raccomandato garantisce una saldatura affidabile e una corretta stabilità meccanica durante e dopo il processo di rifusione. Si consiglia di utilizzare una mascherina metallica con uno spessore da 0.1mm a 0.12mm per l'applicazione della pasta saldante.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

5.1 Profilo di Saldatura a Rifusione

Il componente è qualificato per processi di saldatura a rifusione senza piombo (Pb-free). Viene fornito un profilo di temperatura suggerito, conforme agli standard JEDEC. I parametri chiave includono una zona di pre-riscaldamento (150-200°C), una temperatura di picco non superiore a 260°C e un tempo sopra il liquido (TAL) che garantisca una corretta formazione del giunto saldato senza esporre il componente a stress termico eccessivo. Il dispositivo può resistere a questo profilo per un massimo di 10 secondi alla temperatura di picco, fino a due volte.

5.2 Saldatura Manuale

Se è necessaria la saldatura manuale, deve essere eseguita con una punta del saldatore a una temperatura non superiore a 300°C, e il tempo di contatto deve essere limitato a un massimo di 3 secondi per giunto. Ciò minimizza il rischio di danni termici al die del semiconduttore o al package plastico.

5.3 Condizioni di Stoccaggio

Per prevenire l'assorbimento di umidità, che può causare il fenomeno del \"popcorning\" durante la rifusione, sono imposte condizioni di stoccaggio specifiche. Nella sua originale busta sigillata anti-umidità con essiccante, il dispositivo deve essere stoccato a ≤30°C e ≤90% UR e utilizzato entro un anno. Una volta aperta la busta, i componenti devono essere stoccati a ≤30°C e ≤60% UR e idealmente lavorati entro una settimana. Per uno stoccaggio più lungo al di fuori della confezione originale, è richiesta una cottura a circa 60°C per almeno 20 ore prima della saldatura.

5.4 Pulizia

Se è necessaria una pulizia post-saldatura, devono essere utilizzati solo solventi a base alcolica come l'alcol isopropilico. Evitare detergenti chimici aggressivi in quanto potrebbero danneggiare il materiale del package o la lente.

6. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

6.1 Specifiche del Nastro e della Bobina

Il componente è fornito su nastro portante goffrato con nastro protettivo di copertura. La larghezza del nastro è di 8mm, avvolto su una bobina standard da 7 pollici (178mm) di diametro. Ogni bobina contiene 3000 pezzi. Il confezionamento è conforme alle specifiche ANSI/EIA 481-1-A-1994, garantendo la compatibilità con alimentatori automatizzati.

7. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progettazione

7.1 Configurazione Circuitale Tipica

La modalità operativa più comune per un fotodiodo come il LTR-C155DD-G è la modalità fotoconduttiva. Qui, il diodo è polarizzato inversamente con una tensione (es., 5V, come nella condizione di test). La fotocorrente generata è proporzionale all'intensità della luce. Questa corrente può essere convertita in una tensione utilizzando una resistenza di carico (RL). Il valore di RL influisce sia sull'escursione della tensione di uscita che sulla larghezza di banda (velocità) del circuito a causa della costante di tempo RC formata con la capacità di giunzione del fotodiodo (CT). Per applicazioni ad alta velocità come la decodifica di telecomandi IR a 38 kHz, viene utilizzata una RL più piccola (es., da 1kΩ a 10kΩ). Per una maggiore sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione, è consigliata una RL più grande o un circuito con amplificatore di transimpedenza (TIA).

7.2 Considerazioni di Progettazione Ottica

Per ottimizzare le prestazioni, la sorgente a infrarossi (IRED) dovrebbe avere una lunghezza d'onda di emissione corrispondente alla sensibilità di picco del fotodiodo (attorno a 940nm). Un filtro ottico può essere posizionato davanti al fotodiodo per bloccare la luce visibile, migliorando significativamente il rapporto segnale-rumore in ambienti con forte luce ambientale. L'ampio angolo di visione del fotodiodo semplifica l'allineamento ottico ma può anche renderlo più suscettibile alla luce parassita; un'ombreggiatura meccanica può aiutare a definire il campo visivo.

7.3 Considerazioni sul Layout

Seguire il layout dei pad di saldatura consigliato per garantire una buona saldabilità e resistenza meccanica. Nei circuiti analogici sensibili, mantenere le tracce dall'anodo e dal catodo del fotodiodo il più corte possibile per minimizzare la captazione di rumore e la capacità parassita. Una corretta messa a terra e schermatura può essere necessaria in ambienti elettricamente rumorosi.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto a un fototransistor, un fotodiodo come il LTR-C155DD-G offre un tempo di risposta più veloce (sub-microsecondo vs. microsecondi), rendendolo superiore per la trasmissione dati ad alta velocità o la ricezione di segnali modulati. Fornisce anche un'uscita più lineare rispetto all'intensità della luce. Rispetto ad altri fotodiodi, le sue caratteristiche chiave includono un package standardizzato per l'assemblaggio automatizzato, la compatibilità con la rifusione senza piombo e prestazioni ad alta velocità specificate adatte ai protocolli IR consumer.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Qual è la differenza tra Corrente Luminosa Inversa (Ip) e Corrente di Cortocircuito (Is)?

La Corrente Luminosa Inversa (Ip) viene misurata con il fotodiodo sotto una tensione di polarizzazione inversa (es., 5V). Questa è la condizione operativa standard per una risposta lineare e la velocità. La Corrente di Cortocircuito (Is) viene misurata con zero volt ai capi del diodo (modalità fotovoltaica). Il valore tipico è simile, ma la modalità fotovoltaica ha una risposta più lenta e un'uscita di corrente dipendente dalla tensione.

9.2 Come scelgo il valore della resistenza di carico (RL)?

La scelta comporta un compromesso tra larghezza di banda e ampiezza del segnale. Per un segnale IR a 38kHz, il periodo è di circa 26µs. Il tempo di salita/discesa del fotodiodo (0.3µs) è molto più veloce di questo, quindi non è il fattore limitante. La costante di tempo RC (RL * CT) dovrebbe essere significativamente più piccola della larghezza dell'impulso che si deve rilevare. Per una resistenza da 1kΩ e una capacità di 14pF, la costante di tempo è di 14ns, che è eccellente per l'alta velocità. Una RL più grande fornisce una tensione di uscita maggiore per lo stesso livello di luce ma riduce la larghezza di banda e può aumentare il rumore.

9.3 Perché è richiesta la cottura se i componenti sono stoccati fuori dalla busta?

I package SMT in plastica possono assorbire umidità dall'aria. Durante il processo di saldatura a rifusione ad alta temperatura, questa umidità intrappolata può vaporizzarsi rapidamente, creando una pressione interna che può delaminare il package o creparne il die—un fenomeno noto come \"popcorning\". La cottura elimina questa umidità assorbita, prevenendo questa modalità di guasto.

10. Introduzione al Principio Operativo

Un fotodiodo è una giunzione PN a semiconduttore. Quando fotoni con energia maggiore del bandgap del semiconduttore colpiscono la regione di svuotamento della giunzione, possono eccitare elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando coppie elettrone-lacuna. Sotto l'influenza del campo elettrico interno (inerente alla giunzione o potenziato da una tensione di polarizzazione inversa esterna), questi portatori di carica vengono separati, generando una corrente misurabile in un circuito esterno. Questa fotocorrente è direttamente proporzionale all'intensità della luce incidente, a condizione che il dispositivo operi nella sua regione lineare. La lunghezza d'onda di picco della sensibilità è determinata dall'energia del bandgap del materiale semiconduttore utilizzato.

11. Tendenze di Sviluppo

La tendenza nei sensori a infrarossi discreti come i fotodiodi è verso un'ulteriore miniaturizzazione dei package mantenendo o migliorando parametri di prestazione come una corrente oscura più bassa, una velocità più elevata e una maggiore resistenza alle interferenze della luce ambientale. L'integrazione è un'altra tendenza chiave, con dispositivi che combinano il fotodiodo con un amplificatore dedicato, un filtro e una logica digitale in un unico package per creare completi \"moduli ricevitori IR\" che semplificano la progettazione del prodotto finale. C'è anche una spinta continua verso un'affidabilità più elevata e la compatibilità con standard ambientali e di produzione sempre più rigorosi, come quelli per applicazioni automobilistiche o industriali.