Scheda Tecnica Fototransistor LTR-S320-DB-L - Package EIA - Sensibilità di Picco 940nm - Documento Tecnico Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTR-S320-DB-L è un fototransistor al silicio NPN ad alte prestazioni progettato per applicazioni di rilevamento a infrarossi. Questo componente è ottimizzato per rilevare luce nello spettro del vicino infrarosso, con sensibilità di picco specifica a 940nm, rendendolo adatto a un'ampia gamma di sistemi a telecomando, rilevamento di oggetti e compiti di automazione industriale. La sua funzione primaria è convertire la luce infrarossa incidente in una corrispondente corrente elettrica.

Il dispositivo è alloggiato in un package standard conforme EIA con una lente in resina nera "daylight cut-off". Questa lente filtra efficacemente la luce ambientale visibile, riducendo significativamente il rumore e i falsi inneschi, migliorando così il rapporto segnale/rumore in presenza di illuminazione di fondo. Il package è progettato per la compatibilità con processi di assemblaggio automatizzato ad alto volume, inclusi l'alimentazione a nastro e bobina e la rifusione a infrarossi, allineandosi con i requisiti della produzione moderna.

Essendo un "Prodotto Verde" conforme RoHS e senza piombo (Pb-free), soddisfa gli standard ambientali contemporanei. La combinazione della sua risposta spettrale, del design del package e della compatibilità di produzione lo posiziona come una soluzione affidabile e versatile per circuiti di rilevamento a infrarossi sensibili al costo e guidati dalle prestazioni.

2. Parametri Tecnici: Interpretazione Oggettiva Approfondita

Tutte le caratteristiche elettriche e ottiche sono specificate a una temperatura ambiente (T_A) di 25°C, fornendo una linea di base standardizzata per la valutazione delle prestazioni.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento a o oltre questi limiti non è garantito e dovrebbe essere evitato nella progettazione del circuito.

• Dissipazione di Potenza (P_D):150 mW. Questa è la potenza massima che il dispositivo può dissipare come calore. Superare questo limite rischia il fenomeno della fuga termica (thermal runaway) e il guasto.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO):30 V. La tensione massima che può essere applicata tra i terminali collettore ed emettitore quando la base è aperta (fototransistor in condizione di oscurità).
• Intervallo di Temperatura Operativa:-40°C a +85°C. L'intervallo di temperatura ambiente entro il quale il dispositivo è progettato per funzionare correttamente.
• Intervallo di Temperatura di Stoccaggio:-55°C a +100°C. L'intervallo di temperatura per lo stoccaggio non operativo senza degrado.
• Condizione di Saldatura a Infrarossi:Temperatura di picco di 260°C per un massimo di 10 secondi. Questo definisce il limite del profilo termico per i processi di rifusione senza piombo.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi parametri definiscono le prestazioni del dispositivo in condizioni di test specifiche.

• Tensione di Rottura Inversa (V_(BR)R):Minimo 33V, tipico 170V a I_R=100µA. Questo valore elevato indica una giunzione robusta in grado di resistere a una polarizzazione inversa significativa, il che è vantaggioso per circuiti con carichi induttivi o picchi di tensione.
• Corrente Oscura Inversa (I_D):Massimo 10 nA a V_R=10V. Questa è la corrente di dispersione quando non incide luce. Una bassa corrente oscura è fondamentale per ottenere un'alta sensibilità e un funzionamento a basso rumore, specialmente in scenari di rilevamento a bassa luminosità.
• Tensione a Circuito Aperto (V_OC):Tipico 390 mV quando illuminato da luce a 940nm con un'irradianza (E_e) di 0.5 mW/cm². Questo parametro è rilevante quando il dispositivo è utilizzato in modalità fotovoltaica (senza polarizzazione esterna).
• Corrente di Cortocircuito (I_SC):Tipico 1.8 µA nelle stesse condizioni di test di V_OC(V_R=5V, λ=940nm, E_e=0.5 mW/cm²). Rappresenta la fotocorrente generata quando l'uscita è in cortocircuito.
• Tempo di Salita (T_r) & Tempo di Discesa (T_f):Massimo 30 ns ciascuno (V_R=10V, R_L=1kΩ). Queste specifiche di velocità di commutazione sono cruciali per applicazioni che richiedono rilevamento di impulsi veloci o modulazione ad alta frequenza, come nei collegamenti di comunicazione dati.
• Capacità Totale (C_T):Massimo 1 pF a V_R=5V, f=1MHz. Una bassa capacità di giunzione è essenziale per mantenere tempi di risposta veloci, poiché limita la costante di tempo RC del circuito.
• Larghezza di Banda Spettrale (λ_0.5):750 nm a 1100 nm. Questo definisce l'intervallo di lunghezze d'onda in cui la responsività del dispositivo è almeno la metà del suo valore di picco. Copre la comune regione dell'infrarosso utilizzata da molti emettitori IR (come LED a 850nm e 940nm).
• Lunghezza d'Onda di Sensibilità di Picco (λ_P):940 nm. Il dispositivo è spettralmente abbinato a LED a infrarossi che emettono a 940nm, garantendo la massima efficienza e intensità del segnale in tali accoppiamenti.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fa riferimento a curve caratteristiche tipiche che forniscono una visione visiva del comportamento del dispositivo in condizioni variabili. Sebbene i grafici specifici non siano riprodotti nel testo, le loro implicazioni tipiche sono analizzate di seguito.

3.1 Caratteristiche IV (Corrente-Tensione)

Una famiglia di curve che traccia la corrente del collettore (I_C) rispetto alla tensione collettore-emettitore (V_CE) per diversi livelli di irradianza incidente (E_e). Queste curve mostrerebbero tipicamente che per un'irradianza fissa, I_Caumenta con V_CEfino a raggiungere una regione di saturazione. Livelli di irradianza più elevati spostano le curve verso l'alto, indicando una fotocorrente maggiore. La pendenza nella regione attiva è correlata alla conduttanza di uscita del dispositivo.

3.2 Sensibilità Relativa vs. Lunghezza d'Onda

Questa curva rappresenta graficamente la risposta spettrale, con un picco a 940nm e un calo verso 750nm e 1100nm (i punti λ_0.5). È essenziale per selezionare un emettitore IR appropriato da abbinare al rilevatore e per valutare l'impatto di sorgenti luminose ambientali con spettri diversi.

3.3 Dipendenza dalla Temperatura

Le curve mostrano probabilmente la variazione di parametri chiave come la corrente oscura (I_D) e la fotocorrente con la temperatura ambiente. La corrente oscura tipicamente aumenta esponenzialmente con la temperatura (raddoppiando approssimativamente ogni 10°C), il che può essere una fonte significativa di rumore nelle applicazioni ad alta temperatura. La fotocorrente può anche avere un leggero coefficiente di temperatura negativo.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo è conforme a un profilo standard di package EIA. Tutte le dimensioni sono fornite in millimetri con una tolleranza standard di ±0.10 mm salvo diversa indicazione. Il package presenta una lente in resina nera "daylight-cut-off" modellata sopra il chip di silicio.

4.2 Identificazione Polarità e Pinout

Il fototransistor è un dispositivo a 2 pin. Il pinout è standard per tali package: il collettore è tipicamente collegato al case o al terminale più lungo (se applicabile), mentre l'emettitore è l'altro pin. Il diagramma nella scheda tecnica fornisce l'identificazione definitiva. La polarità corretta è essenziale per il corretto funzionamento del circuito.

4.3 Layout Consigliato per le Piazzole di Saldatura

Viene fornito un modello di piazzola (footprint) consigliato per il progetto PCB per garantire la formazione affidabile dei giunti di saldatura durante la rifusione. Rispettare queste dimensioni aiuta a prevenire l'effetto "tombstoning", il disallineamento o filetti di saldatura insufficienti.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

5.1 Profilo di Rifusione (Reflow)

Viene fornita una dettagliata proposta per un profilo di rifusione a infrarossi adatto per processi di saldatura senza piombo (Pb-free). I parametri chiave includono:

• Preriscaldamento:150°C a 200°C.
• Tempo di Preriscaldamento:Massimo 120 secondi.
• Temperatura di Picco:Massimo 260°C.
• Tempo Sopra il Liquido (al picco):Massimo 10 secondi.
• Numero Massimo di Cicli di Rifusione: Two.

Il profilo si basa sugli standard JEDEC per garantire l'integrità del package. Gli ingegneri devono caratterizzare il profilo per il loro specifico design PCB, componenti e pasta saldante.

5.2 Saldatura Manuale

Se è necessaria la saldatura manuale, la temperatura della punta del saldatore non deve superare i 300°C e il tempo di saldatura per ogni terminale deve essere limitato a un massimo di 3 secondi. Si consiglia un solo ciclo di saldatura manuale per evitare stress termico.

5.3 Pulizia

Dovrebbero essere utilizzati solo agenti di pulizia specificati. Si consiglia alcol isopropilico (IPA) o alcol etilico. Il dispositivo dovrebbe essere immerso a temperatura ambiente per meno di un minuto. Liquidi chimici non specificati potrebbero danneggiare la resina del package.

5.4 Condizioni di Stoccaggio

Confezione Sigillata (Busta Barriera all'Umidità):Conservare a ≤30°C e ≤90% UR. I componenti sono classificati per l'uso entro un anno dalla data di sigillatura della busta.

Confezione Aperta:Conservare a ≤30°C e ≤60% UR. I componenti dovrebbero essere rifusi entro una settimana (168 ore). Per uno stoccaggio più lungo al di fuori della busta originale, devono essere conservati in un contenitore sigillato con essiccante o in un essiccatore a azoto. I componenti stoccati per più di una settimana dovrebbero essere sottoposti a cottura (baking) a circa 60°C per almeno 20 ore prima della saldatura per rimuovere l'umidità assorbita e prevenire il fenomeno del "popcorning" durante la rifusione.

6. Confezionamento e Informazioni per l'Ordine

6.1 Specifiche del Nastro e della Bobina

Il dispositivo è fornito su nastro portacomponenti da 8mm su bobine di diametro 7 pollici (178mm), compatibili con le attrezzature standard di posizionamento automatico.

• Pezzi per Bobina: 3000.
• Nastro di Copertura:Le tasche vuote dei componenti sono sigillate con un nastro di copertura superiore.
• Componenti Mancanti:È consentito un massimo di due componenti mancanti consecutivi ("missing lamps") per specifica della bobina.
• Standard:Il confezionamento segue le specifiche ANSI/EIA 481-1-A-1994.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Ricevitori per Telecomandi a Infrarossi:Per TV, impianti audio e decoder (accoppiati con un LED IR a 940nm).
• Rilevamento di Oggetti/Prossimità:In stampanti, fotocopiatrici, distributori automatici e automazione industriale per rilevare carta, oggetti o posizione.
• Rilevatori di Fumo:In progetti basati su camere ottiche.
• Encoder:Per il rilevamento di velocità o posizione nel controllo motori.
• Isolamento Ottico di Base:In circuiti di isolamento a bassa velocità e sensibili al costo.

7.2 Considerazioni per il Progetto del Circuito

Metodo di Pilotaggio:Il fototransistor è un dispositivo a uscita di corrente. Per prestazioni consistenti, specialmente quando più dispositivi sono utilizzati in parallelo, si raccomanda vivamente di utilizzare una resistenza limitatrice di corrente in serie con ogni fototransistor (Modello di Circuito A nella scheda tecnica).

Modello di Circuito A (Consigliato):Ogni fototransistor ha la propria resistenza in serie collegata alla tensione di alimentazione. Ciò garantisce che ogni dispositivo operi a un punto di corrente definito, compensando le lievi variazioni nelle loro caratteristiche corrente-tensione (I-V) e prevenendo che un dispositivo assorba troppa corrente (current hogging).

Modello di Circuito B (Non Consigliato per Uso in Parallelo):Più fototransistori collegati direttamente in parallelo a una singola resistenza condivisa. A causa delle variazioni naturali nella curva I-V dei singoli componenti, un dispositivo potrebbe assorbire più corrente degli altri, portando a una luminosità o sensibilità di rilevamento non uniforme.

Polarizzazione:Il dispositivo è tipicamente utilizzato in una configurazione a emettitore comune con una resistenza di pull-up al collettore. Il valore di questa resistenza di carico (R_L) influisce sia sull'escursione della tensione di uscita che sulla velocità di risposta (tramite la costante di tempo RC formata con la capacità del dispositivo). Una R_Lpiù piccola dà una risposta più veloce ma una variazione di tensione di uscita più piccola.

Immunità al Rumore:La lente nera "daylight cut-off" fornisce un'eccellente reiezione della luce visibile. Tuttavia, per ambienti ad alto rumore (ad es., con illuminazione fluorescente o luce solare), potrebbe essere necessario un filtraggio elettrico aggiuntivo (ad es., un condensatore in parallelo alla resistenza di carico o un algoritmo di debounce hardware/software) per respingere le interferenze modulate.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto a un semplice fotodiodo, un fototransistor fornisce un guadagno di corrente interno (il beta, β, del transistor), risultando in una corrente di uscita molto più elevata per lo stesso livello di luce incidente. Ciò rende più semplice l'interfacciamento diretto con circuiti logici o microcontrollori senza richiedere uno stadio di amplificazione successivo, semplificando il design e riducendo il numero di componenti.

Tuttavia, questo guadagno ha il costo di tempi di risposta più lenti (tipicamente decine o centinaia di nanosecondi per i fototransistori contro nanosecondi per i fotodiodi) e potenzialmente di una capacità più alta. Per applicazioni ad altissima velocità (ad es., modulazione >1 MHz), un fotodiodo con un amplificatore di transimpedenza esterno potrebbe essere una scelta migliore.

I principali fattori di differenziazione del LTR-S320-DB-L nella categoria dei fototransistori sono il suo package standardizzato EIA per facilità di produzione, l'accoppiamento spettrale specifico a 940nm, la lente filtro integrata per la luce diurna e la sua qualifica per i processi di rifusione senza piombo.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Qual è lo scopo della lente "daylight cut-off"?

La lente in resina nera è drogata per essere opaca alla luce visibile ma trasparente alle lunghezze d'onda infrarosse intorno ai 940nm. Ciò riduce drasticamente la fotocorrente generata dalla luce ambientale della stanza, dalla luce solare o da altre sorgenti visibili, minimizzando i falsi inneschi e migliorando l'affidabilità del rilevamento del segnale IR.

9.2 Posso utilizzarlo con un LED IR a 850nm?

Sì, ma con efficienza ridotta. La curva di risposta spettrale del dispositivo mostra una sensibilità significativa a 850nm (entro la larghezza di banda 750-1100nm), ma non è al picco (940nm). Il segnale di uscita sarà più debole rispetto all'uso di un emettitore abbinato a 940nm. Per prestazioni ottimali e massima portata, si consiglia l'accoppiamento con una sorgente a 940nm.

9.3 Come calcolo il valore appropriato della resistenza in serie?

Il valore della resistenza dipende dalla corrente operativa desiderata e dalla tensione di alimentazione (V_CC). Sotto una specifica irradianza, il fototransistor si comporterà come una sorgente di corrente. Utilizzando la Legge di Ohm: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)è la tensione di saturazione (tipicamente poche centinaia di mV a correnti moderate). I_Cè la corrente di collettore desiderata, che può essere stimata dal parametro I_SCe dal livello di luce previsto. Partire dal tipico I_SC(1.8 µA a 0.5 mW/cm²) e scalarlo in base all'irradianza della propria applicazione. Scegliere R per impostare il punto di lavoro nella regione desiderata della curva IV.

9.4 Perché è necessaria la cottura (baking) se i componenti sono stoccati fuori dalla busta?

I package in plastica possono assorbire umidità dall'atmosfera. Durante il processo di rifusione ad alta temperatura, questa umidità intrappolata può vaporizzarsi rapidamente, creando un'alta pressione interna. Ciò può causare la delaminazione del package dal die ("popcorning") o crepe interne, portando a guasti immediati o latenti. La cottura elimina questa umidità assorbita, rendendo i componenti sicuri per la rifusione.

10. Principio di Funzionamento

Un fototransistor è fondamentalmente un transistor a giunzione bipolare (BJT) in cui la corrente di base è generata dalla luce invece che da una connessione elettrica. I fotoni incidenti con energia maggiore del bandgap del silicio creano coppie elettrone-lacuna nella regione della giunzione base-collettore. Questi portatori sono spazzati via dal campo elettrico interno, generando una fotocorrente che agisce come corrente di base (I_B). Questa corrente di base fotogenerata viene quindi amplificata dal guadagno di corrente del transistor (h_FEo β), risultando in una corrente di collettore molto più grande (I_C= β * I_B). L'uscita è presa dal terminale del collettore, con l'emettitore a massa. L'assenza di un terminale di base fisico è una caratteristica comune, sebbene alcuni fototransistori includano una connessione di base per il controllo della polarizzazione o l'ottimizzazione della velocità.

11. Tendenze di Sviluppo

Il campo del rilevamento fotonico continua a evolversi. Le tendenze rilevanti per dispositivi come il LTR-S320-DB-L includono:

• Miniaturizzazione:Sviluppo di fototransistori in package con ingombri più piccoli (ad es., chip-scale packages) per consentire elettronica più densa.
• Integrazione Avanzata:Combinazione del rilevatore fotonico con amplificazione, filtraggio e logica digitale su un singolo chip per creare "sensori intelligenti" con uscita digitale (I2C, SPI), riducendo il numero di componenti esterni e semplificando il design del sistema.
• Velocità Migliorata:Ricerca su strutture e materiali per ridurre il tempo di transito dei portatori e la capacità, spingendo le larghezze di banda dei fototransistori più in alto per applicazioni di comunicazione dati.
• Specificità della Lunghezza d'Onda:Sviluppo di rilevatori con risposte spettrali più strette e sintonizzate con maggiore precisione per migliorare la selettività in ambienti con più sorgenti IR o per abilitare nuove modalità di rilevamento.
• Focus su Affidabilità e Test:Man mano che l'optoelettronica penetra nelle applicazioni automobilistiche, mediche e di sicurezza industriale, c'è un'enfasi crescente su standard di qualificazione rigorosi, funzionamento a intervalli di temperatura estesi e analisi delle modalità di guasto.

Sebbene i fototransistori discreti rimangano vitali per molte applicazioni grazie alla loro semplicità e convenienza, queste tendenze puntano verso soluzioni più sofisticate e specifiche per l'applicazione in futuro.