Scheda Tecnica Fototransistor LTR-536AD - Involucro Verde Scuro - Tensione Inversa 30V - Dissipazione 150mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'LTR-536AD è un fototransistor al silicio NPN ad alte prestazioni, progettato specificamente per applicazioni di rilevamento a infrarossi (IR). La sua funzione principale è convertire la radiazione infrarossa incidente in una corrente elettrica. Una caratteristica distintiva di questo componente è il suo speciale involucro in resina epossidica verde scuro. Questo materiale è formulato per attenuare o "tagliare" le lunghezze d'onda della luce visibile, migliorando significativamente la sua sensibilità e il rapporto segnale/rumore specificamente nello spettro infrarosso, tipicamente attorno ai 940nm. Lo rende la scelta ideale per applicazioni in cui è cruciale discriminare la luce visibile ambientale.

Vantaggi Principali:

• Alta Sensibilità Fotoelettrica:Fornisce un forte segnale elettrico di uscita per un dato livello di irradianza infrarossa.
• Ottimizzato per Infrarossi:L'involucro verde scuro agisce da filtro per la luce visibile, rendendo il dispositivo particolarmente adatto al rilevamento IR puro.
• Bassa Capacità di Giunzione:Questo parametro è critico per il funzionamento ad alta frequenza, consentendo tempi di risposta più rapidi.
• Caratteristiche di Commutazione Rapida:Presenta tempi di salita e discesa rapidi, adatto per sistemi IR pulsati e comunicazione dati.
• Alta Frequenza di Taglio:Supporta l'operazione in circuiti a frequenza più elevata.

Mercato di Riferimento:Questo fototransistor è rivolto a progettisti e ingegneri che lavorano su sistemi basati su infrarossi. Applicazioni comuni includono sensori di prossimità, rilevamento oggetti, interruttori senza contatto, collegamenti per trasmissione dati IR (come telecomandi), automazione industriale e qualsiasi sistema che richieda un rilevamento affidabile di segnali infrarossi respingendo l'interferenza da sorgenti di luce visibile.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Tutti i parametri sono specificati a una temperatura ambiente (T_A) di 25°C salvo diversa indicazione. Comprendere questi parametri è essenziale per una corretta progettazione del circuito e per garantire un funzionamento affidabile entro i limiti del dispositivo.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi sono i limiti di stress oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. L'operazione deve essere sempre mantenuta entro questi limiti.

• Dissipazione di Potenza (P_D):150 mW. Questa è la massima potenza che il dispositivo può dissipare sotto forma di calore.
• Tensione Inversa (V_R):30 V. La massima tensione che può essere applicata in polarizzazione inversa attraverso la giunzione collettore-emettitore.
• Intervallo di Temperatura di Funzionamento (T_oper):-40°C a +85°C. L'intervallo di temperatura ambiente per il normale funzionamento del dispositivo.
• Intervallo di Temperatura di Conservazione (T_stg):-55°C a +100°C. L'intervallo di temperatura per la conservazione non operativa.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali:260°C per 5 secondi, misurata a 1,6mm dal corpo del package. Definisce i vincoli del profilo di saldatura a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

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

• Tensione di Breakdown Inverso (V_(BR)R):30 V (Min). La tensione alla quale la corrente inversa (I_R) aumenta bruscamente (testata a 100µA). Correla con il Valore Massimo Assoluto.
• Corrente di Buio Inversa (I_D(R)):30 nA (Max). La corrente di dispersione che scorre quando il dispositivo è in polarizzazione inversa (V_R=10V) e in completa oscurità (E_e=0). Un valore più basso indica prestazioni migliori in condizioni di scarsa illuminazione.
• Tensione a Circuito Aperto (V_OC):350 mV (Tip). La tensione generata ai capi del dispositivo sotto illuminazione (λ=940nm, E_e=0.5mW/cm²) senza carico esterno (circuito aperto).
• Corrente di Cortocircuito (I_S):1,7 µA (Min), 2 µA (Tip). La corrente che scorre quando il dispositivo è illuminato (λ=940nm, E_e=0.1mW/cm²) e l'uscita è in cortocircuito (V_R=5V). Questa è una misura chiave della sensibilità.
• Tempo di Salita (T_r) & Tempo di Discesa (T_f):50 nsec (Tip). Il tempo richiesto affinché la corrente di uscita salga dal 10% al 90% (salita) o scenda dal 90% al 10% (discesa) del suo valore finale in risposta a un cambiamento a gradino dell'illuminazione. Critico per applicazioni ad alta velocità.
• Capacità Totale (C_T):25 pF (Tip). La capacità di giunzione misurata a V_R=3V e f=1MHz al buio. Una capacità inferiore consente velocità di commutazione più elevate.
• Lunghezza d'Onda di Massima Sensibilità (λ_SMAX):900 nm (Tip). La lunghezza d'onda di picco della luce infrarossa a cui il fototransistor è più sensibile. È ottimizzato per emettitori attorno ai 940nm.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diversi grafici che illustrano il comportamento del dispositivo in condizioni variabili. Sono preziosi per un lavoro di progettazione dettagliato che va oltre i numeri tipici/min/max.

3.1 Corrente di Buio vs. Tensione Inversa (Fig.1)

Questa curva mostra come la corrente di buio inversa (I_D) aumenti con la tensione inversa applicata (V_R). Tipicamente mostra una corrente molto bassa e relativamente costante a tensioni più basse, con un aumento graduale all'aumentare della tensione, culminando nel brusco aumento alla tensione di breakdown. I progettisti devono assicurarsi che la V_R operativa sia sufficientemente al di sotto del ginocchio di questa curva per minimizzare il rumore da corrente di dispersione.

3.2 Capacità vs. Tensione Inversa (Fig.2)

Questo grafico descrive la relazione tra capacità di giunzione (C_T) e tensione di polarizzazione inversa. La capacità diminuisce all'aumentare della tensione inversa. Per la progettazione di circuiti ad alta velocità, operare a una tensione inversa più alta (entro i limiti) può ridurre C_T e migliorare la larghezza di banda, ma questo deve essere bilanciato con l'aumento della corrente di buio (dalla Fig.1).

3.3 Fotocorrente & Corrente di Buio vs. Temperatura Ambiente (Fig.3 & Fig.4)

La Figura 3 illustra come la fotocorrente (I_P) cambi con la temperatura ambiente. La sensibilità del fototransistor generalmente diminuisce all'aumentare della temperatura. La Figura 4 mostra l'aumento esponenziale della corrente di buio (I_D) con l'aumento della temperatura. Queste due curve sono critiche per progettare sistemi che devono operare in modo affidabile in un ampio intervallo di temperatura (es. -40°C a +85°C). Ad alte temperature, l'aumento della corrente di buio può sovrastare un debole segnale ottico, riducendo il rapporto segnale/rumore.

3.4 Sensibilità Spettrale Relativa (Fig.5)

Questa è forse la curva più importante per l'abbinamento applicativo. Traccia la responsività normalizzata del fototransistor su un intervallo di lunghezze d'onda (tipicamente ~800nm a 1100nm). L'LTR-536AD mostra una sensibilità di picco attorno ai 900nm e un'attenuazione significativa nello spettro della luce visibile (<800nm), risultato diretto del suo involucro verde scuro. Questa curva deve essere incrociata con lo spettro di emissione del LED IR o della sorgente luminosa prevista per garantire un accoppiamento ottimale.

3.5 Fotocorrente vs. Irradianza (Fig.6)

Questo grafico mostra la relazione lineare tra la potenza della luce infrarossa incidente (irradianza E_e) e la fotocorrente risultante (I_P). La pendenza di questa linea rappresenta la responsività del dispositivo. Conferma che il dispositivo opera in una regione lineare per l'intervallo di irradianza testato, il che è desiderabile per applicazioni di sensing analogico.

3.6 Dissipazione Totale di Potenza vs. Temperatura Ambiente (Fig.8)

Questa curva di derating mostra la massima dissipazione di potenza consentita (P_D) in funzione della temperatura ambiente. Il valore massimo assoluto di 150mW si applica solo fino a una certa temperatura (probabilmente 25°C). All'aumentare della temperatura ambiente, la capacità del dispositivo di dissipare calore diminuisce, quindi la potenza massima consentita deve essere ridotta linearmente per prevenire il surriscaldamento. Questo è cruciale per i calcoli di affidabilità.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni dell'Involucro

L'LTR-536AD è disponibile in un package through-hole standard da 3mm (T-1). Le note dimensionali chiave della scheda tecnica includono:

• Tutte le dimensioni sono in millimetri (i pollici sono forniti tra parentesi).
• Si applica una tolleranza standard di ±0,25mm (.010") salvo diversa specifica.
• La massima sporgenza della resina sotto la flangia è di 1,5mm (.059").
• La distanza tra i terminali è misurata nel punto in cui i terminali emergono dal corpo del package.

Identificazione della Polarità:Il dispositivo presenta un lato piatto sulla lente, che tipicamente indica il terminale del collettore. Il terminale più lungo è solitamente l'emettitore. Tuttavia, i progettisti dovrebbero sempre verificare la polarità con un multimetro in modalità test diodi prima dell'installazione.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Per garantire l'integrità del dispositivo durante l'assemblaggio, devono essere osservate le seguenti condizioni:

• Saldatura a Rifusione:I terminali possono sopportare una temperatura di 260°C per un massimo di 5 secondi. Questa misurazione è effettuata a 1,6mm (0,063") dal corpo del package. I profili standard di saldatura a onda o a rifusione devono essere adattati per rispettare questo limite per prevenire danni al die semiconduttore interno o al package epossidico.
• Saldatura Manuale:Se è necessaria la saldatura manuale, utilizzare un saldatore a temperatura controllata e minimizzare il tempo di contatto a meno di 3 secondi per terminale. Se possibile, utilizzare una pinza dissipatrice sul terminale tra il giunto e il corpo del package.
• Pulizia:Utilizzare solo solventi di pulizia approvati compatibili con il materiale epossidico verde scuro. Evitare la pulizia a ultrasuoni a meno che la sua compatibilità e le impostazioni di potenza/tempo non siano verificate, poiché potrebbe danneggiare il package o i collegamenti interni.
• Condizioni di Conservazione:Conservare in un ambiente asciutto e antistatico entro l'intervallo di temperatura di conservazione specificato di -55°C a +100°C. La busta barriera all'umidità originale dovrebbe essere utilizzata se si prevede una conservazione a lungo termine.

6. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progetto

6.1 Circuiti Applicativi Tipici

L'LTR-536AD può essere utilizzato in due configurazioni principali:

1. Modalità Interruttore (Uscita Digitale):Il fototransistor è collegato in serie con una resistenza di pull-up tra la tensione di alimentazione (V_CC) e massa. L'uscita è prelevata dal nodo del collettore. Quando la luce IR colpisce il sensore, questo si accende, portando bassa la tensione di uscita. Al buio, si spegne e la resistenza di pull-up porta alta l'uscita. Il valore della resistenza di pull-up determina la velocità di commutazione e il consumo di corrente (una resistenza più piccola fornisce una commutazione più rapida ma una potenza maggiore).
2. Modalità Lineare (Uscita Analogica):Configurazione simile, ma il fototransistor è polarizzato nella sua regione attiva utilizzando una corrente di base fissa (spesso zero, basandosi solo sulla fotocorrente) e una resistenza di collettore. La tensione al collettore varia linearmente con l'intensità della luce IR incidente. Questa modalità è utilizzata per il sensing analogico, come la misurazione della distanza o il rilevamento del livello di luce.

6.2 Considerazioni Critiche di Progetto

• Abbinamento della Sorgente:Accoppiare sempre l'LTR-536AD con un emettitore IR (LED) che abbia una lunghezza d'onda di picco vicina ai 940nm e allineata con il picco di sensibilità spettrale del fototransistor (900nm) per la massima efficienza.
• Reiezione della Luce Ambiente:Sebbene l'involucro verde scuro aiuti, per l'operazione in ambienti luminosi, potrebbero essere necessari filtri ottici aggiuntivi (un filtro passa-IR dedicato) o tecniche di modulazione/demodulazione (pulsazione della sorgente IR e rilevamento sincrono del segnale) per respingere il rumore della luce ambiente.
• Polarizzazione per la Velocità:Per ottenere il tempo di risposta più rapido possibile (50ns tip.), far funzionare il dispositivo con una tensione inversa (V_CE) di circa 10V e utilizzare una piccola resistenza di carico (es. 1kΩ come nella condizione di test). Ciò minimizza la costante di tempo RC formata dalla capacità di giunzione (C_T) e dalla resistenza di carico (R_L).
• Compensazione della Temperatura:Per applicazioni di precisione su un ampio intervallo di temperatura, considerare tecniche circuitali per compensare la variazione della corrente di buio e della sensibilità. Ciò potrebbe coinvolgere l'uso di un fototransistor abbinato in un canale di riferimento al buio o l'implementazione di una regolazione del guadagno dipendente dalla temperatura nel circuito di condizionamento del segnale.

7. Confronto Tecnico e Differenziazione

L'LTR-536AD si differenzia nel mercato dei fototransistor grazie al suo package specializzato. Rispetto ai fototransistor epossidici standard trasparenti o "water-clear", il suo vantaggio chiave è il taglio della luce visibile integrato. Ciò elimina la necessità di un filtro IR esterno in molte applicazioni, riducendo il numero di componenti, il costo e la complessità di assemblaggio. La sua combinazione di velocità di commutazione relativamente rapida (50ns), bassa capacità (25pF) e buona sensibilità (2µA tip. a 0.1mW/cm²) lo rende una scelta bilanciata sia per il sensing analogico che per i collegamenti di comunicazione IR digitali a velocità moderata.

8. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

8.1 Posso utilizzarlo con un LED rosso (650nm)?

Risposta:No, non è raccomandato. La curva di Sensibilità Spettrale Relativa (Fig.5) mostra una responsività molto bassa a 650nm (rosso visibile). L'involucro verde scuro blocca attivamente questa lunghezza d'onda. Per rilevare la luce rossa, dovrebbe essere selezionato un fototransistor con involucro trasparente e una sensibilità di picco nell'intervallo visibile.

8.2 Perché il mio segnale di uscita è rumoroso in un ambiente caldo?

Risposta:Fare riferimento alla Figura 4 (Corrente di Buio vs. Temperatura). La corrente di buio aumenta esponenzialmente con la temperatura. Se il tuo circuito è progettato per rilevare un debole segnale IR, la corrente di buio generata termicamente può diventare significativa a temperature elevate, manifestandosi come rumore o un offset DC. Le soluzioni includono raffreddare il sensore, utilizzare una sorgente luminosa modulata con rilevamento sincrono o selezionare una topologia circuitale che sottragga la corrente di buio.

8.3 Come scelgo il valore della resistenza di carico (R_L)?

Risposta:Implica un compromesso tra velocità, sensibilità e potenza.
Per la Velocità (Commutazione Digitale):Scegliere una R_L piccola (es. 1kΩ a 4,7kΩ). Ciò fornisce una piccola costante di tempo RC (C_T* R_L) per fronti rapidi ma assorbe più corrente.
Per una Grande Escursione di Tensione (Sensing Analogico):Scegliere una R_L più grande (es. 10kΩ a 100kΩ). Ciò fornisce un cambiamento di tensione di uscita maggiore per un dato cambiamento di luce ma rallenta il tempo di risposta.
Assicurarsi sempre che la caduta di tensione su R_L quando il fototransistor è completamente acceso non causi la caduta della tensione collettore-emettitore al di sotto del livello di saturazione, e che la dissipazione di potenza nel fototransistor rimanga al di sotto del limite derating per la temperatura operativa.

9. Esempio Pratico di Utilizzo

Applicazione:Rilevamento Oggetti Senza Contatto in un Contatore Industriale.
Implementazione:Un LED IR (940nm) e l'LTR-536AD sono montati su lati opposti di un nastro trasportatore (configurazione a fascio interrotto). Il LED è pulsato a 10kHz utilizzando un circuito di pilotaggio. Il fototransistor è collegato in modalità interruttore con una resistenza di pull-up da 4,7kΩ a 5V. La sua uscita è inviata a un pin di cattura di ingresso di un microcontrollore. In condizioni normali (nessun oggetto), la luce IR pulsata raggiunge il sensore, causando l'impulso dell'uscita a 10kHz. Il firmware del microcontrollore rileva questa frequenza. Quando un oggetto attraversa il fascio, blocca la luce e l'uscita del fototransistor va e rimane alta (o bassa, a seconda della logica). Il microcontrollore rileva l'assenza del segnale a 10kHz e incrementa un contatore. L'involucro verde scuro dell'LTR-536AD impedisce alla luce fluorescente o incandescente ambientale della fabbrica di attivare erroneamente il contatore.

10. Introduzione al Principio di Funzionamento

Un fototransistor è fondamentalmente un transistor a giunzione bipolare (BJT) in cui la corrente di base è generata dalla luce invece di essere fornita elettricamente. Nell'LTR-536AD (tipo NPN), i fotoni incidenti con energia maggiore del bandgap del silicio (corrispondente a lunghezze d'onda inferiori a ~1100nm) sono assorbiti nella regione della giunzione base-collettore. Questa assorbimento crea coppie elettrone-lacuna. Il campo elettrico nella giunzione collettore-base polarizzata inversamente spazza via questi portatori, generando una fotocorrente. Questa fotocorrente agisce esattamente come una corrente di base iniettata nel transistor. A causa del guadagno di corrente del transistor (beta, β), la corrente di collettore è molto più grande della fotocorrente iniziale (I_C= β * I_photo). Questa amplificazione interna è ciò che conferisce ai fototransistor la loro alta sensibilità rispetto ai fotodiodi. La resina epossidica verde scuro assorbe la maggior parte dei fotoni della luce visibile, consentendo principalmente ai fotoni infrarossi di raggiungere il chip di silicio, rendendo così il dispositivo selettivamente sensibile all'IR.

11. Tendenze Tecnologiche

Il campo dell'optoelettronica continua a evolversi. Sebbene fototransistor discreti through-hole come l'LTR-536AD rimangano vitali per molte applicazioni, le tendenze includono:
Integrazione:Crescente integrazione del fotorivelatore con circuiti di front-end analogico (amplificatori, filtri) e logica digitale (comparatori, uscite logiche) in soluzioni o moduli a singolo chip.
Tecnologia a Montaggio Superficiale (SMT):Una forte tendenza verso package SMT più piccoli per l'assemblaggio automatizzato e la riduzione dello spazio su scheda, sebbene spesso a scapito della sensibilità a causa di aree attive più piccole.
Specializzazione:Sviluppo di dispositivi con risposte spettrali ancora più specifiche, velocità più elevate per la comunicazione dati ottica e maggiore resilienza ad ambienti ostili (temperature più elevate, umidità).
Il principio di base del fototransistor rimane invariato, ma le sue implementazioni stanno diventando più specifiche per l'applicazione e integrate.