Scheda Tecnica del Fototransistor LTR-3208 - Dimensioni del Package - Tensione Collettore-Emettitore 30V - Dissipazione di Potenza 100mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'LTR-3208 è un fototransistor NPN al silicio progettato per applicazioni di rilevamento a infrarossi. È alloggiato in un package plastico a basso costo dotato di una lente integrata ottimizzata per l'alta sensibilità. Questo componente è progettato per convertire la luce infrarossa incidente in una corrispondente corrente elettrica al suo terminale di collettore, rendendolo adatto a vari sistemi di sensing e rilevamento dove è richiesta una rilevazione della luce affidabile ed economica.

1.1 Vantaggi Principali

Il dispositivo offre diversi vantaggi chiave per i progettisti. La sua caratteristica principale è un'ampia gamma operativa per la corrente di collettore, offrendo flessibilità nella progettazione del circuito per diversi livelli di segnale. L'incorporazione di una lente direttamente nel package ne migliora la sensibilità alla radiazione infrarossa in arrivo, aumentando il rapporto segnale/rumore e la portata di rilevamento. Inoltre, l'utilizzo di un package plastico standard contribuisce a un basso costo complessivo del componente, rendendolo un'opzione interessante per applicazioni ad alto volume o sensibili al costo.

1.2 Mercato di Riferimento e Applicazioni

Questo fototransistor è rivolto al vasto mercato optoelettronico, servendo applicazioni che richiedono sensing senza contatto. Casi d'uso tipici includono rilevamento di oggetti, sensing di posizione, interruttori a fessura (ad es., in stampanti e encoder), interruttori touchless e sistemi di automazione industriale. La sua affidabilità e interfaccia semplice (tipicamente richiedendo una resistenza di pull-up e una tensione di alimentazione) lo rendono una scelta comune sia per l'elettronica di consumo che per i sistemi di controllo industriale.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

Le prestazioni elettriche e ottiche dell'LTR-3208 sono caratterizzate in condizioni ambientali standard (25°C). Comprendere questi parametri è fondamentale per una corretta progettazione del circuito e per garantire un funzionamento affidabile entro i limiti specificati del dispositivo.

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 questi limiti non è garantito. La massima dissipazione di potenza è di 100 mW, che determina la progettazione termica dell'applicazione. La tensione massima collettore-emettitore (V_CEO) è di 30V, mentre la tensione massima emettitore-collettore (V_ECO) è di 5V, indicando l'asimmetria del dispositivo. L'intervallo di temperatura operativa va da -40°C a +85°C e può essere conservato in ambienti da -55°C a +100°C. Per la saldatura, i terminali possono resistere a 260°C per 5 secondi quando misurati a 1,6 mm dal corpo del package.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

I parametri operativi chiave definiscono le prestazioni del dispositivo in specifiche condizioni di test. La Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO) è tipicamente di 30V a 1mA di corrente di collettore senza illuminazione. La Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT)) è molto bassa, compresa tra 0,1V (min) e 0,4V (max) quando il dispositivo è pilotato con una corrente di collettore di 100μA sotto un'irradianza di 1 mW/cm². Questa bassa tensione di saturazione è desiderabile per applicazioni di commutazione. La velocità di commutazione è caratterizzata dal Tempo di Salita (T_r) e dal Tempo di Discesa (T_f), specificati rispettivamente come 10 μs e 15 μs in condizioni di test di V_CC=5V, I_C=1mA e R_L=1kΩ. La Corrente di Buio del Collettore (I_CEO), che è la corrente di dispersione senza luce, ha un valore massimo di 100 nA a V_CE=10V.

2.3 Corrente di Collettore in Stato ON e Binning

Un parametro critico è la Corrente di Collettore in Stato ON (I_C(ON)), che è la corrente di uscita quando il dispositivo è illuminato. Questo parametro è suddiviso in bin, il che significa che i dispositivi sono ordinati in gruppi di prestazioni. La condizione di test è V_CE= 5V con un'irradianza di 1 mW/cm² a una lunghezza d'onda di 940nm. I bin sono i seguenti: Bin C: 0,8 a 2,4 mA; Bin D: 1,6 a 4,8 mA; Bin E: 3,2 a 9,6 mA; Bin F: 6,4 mA (minimo). Questo binning consente ai progettisti di selezionare un dispositivo con un intervallo di sensibilità appropriato per la loro applicazione specifica, garantendo prestazioni di sistema coerenti.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano come i parametri chiave variano con fattori ambientali e operativi. Questi grafici sono essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo oltre le specifiche a punto singolo fornite nelle tabelle.

3.1 Dipendenza dalla Temperatura

La Figura 1 mostra la relazione tra la Corrente di Buio del Collettore (I_CEO) e la Temperatura Ambiente (T_a). La corrente di buio aumenta esponenzialmente con la temperatura, una proprietà fondamentale delle giunzioni a semiconduttore. I progettisti devono tenere conto di questa maggiore dispersione in ambienti ad alta temperatura, poiché può influenzare il livello del segnale in stato OFF e il rumore di fondo. La Figura 2 mostra la derating della massima Dissipazione di Potenza del Collettore consentita (P_C) all'aumentare della temperatura ambiente. Il valore nominale di 100 mW è valido solo a 25°C o meno; al di sopra di questa temperatura, la potenza massima deve essere ridotta linearmente per prevenire stress termico eccessivo.

3.2 Caratteristiche Dinamiche e di Risposta

La Figura 3 illustra come i Tempi di Salita e Discesa (T_r, T_f) siano influenzati dalla Resistenza di Carico (R_L). I tempi di commutazione aumentano con resistenze di carico maggiori. Questa è una considerazione cruciale per progettare circuiti di rilevamento ad alta velocità, dove potrebbe essere necessaria una resistenza di carico più piccola per ottenere la larghezza di banda desiderata, sebbene a scapito di un consumo di corrente più elevato. La Figura 4 mostra la Corrente di Collettore Relativa in funzione dell'Irradianza (E_e). La relazione è generalmente lineare nella regione operativa, confermando che la corrente di uscita è direttamente proporzionale alla potenza della luce incidente, il che è ideale per applicazioni di sensing analogico.

3.3 Risposta Spettrale

Le Figure 5 e 6 sono relative alla sensibilità spettrale del dispositivo. La Figura 5 è un diagramma polare che mostra la dipendenza angolare della sensibilità, indicando come l'uscita varia con l'angolo della luce incidente rispetto all'asse del dispositivo. Questo è importante per l'allineamento nei sistemi ottici. La Figura 6, la curva di Distribuzione Spettrale, mostra che l'LTR-3208 è più sensibile alla luce infrarossa, con la responsività di picco che si verifica a una specifica lunghezza d'onda (implicita nella regione del vicino infrarosso, tipica per i fototransistor al silicio). Ha una risposta trascurabile alla luce visibile, rendendolo immune all'illuminazione ambientale in molti casi.

4. Informazioni Meccaniche e di Package

4.1 Dimensioni del Package

L'LTR-3208 utilizza un package plastico standard con tre terminali. Il package include una lente modellata sulla parte superiore per focalizzare la luce in arrivo sull'area semiconduttrice sensibile. Le dimensioni critiche includono le dimensioni del corpo, la spaziatura dei terminali e la sporgenza della resina sotto la flangia, specificata come massimo 1,5mm. La spaziatura dei terminali è misurata nel punto in cui i terminali escono dal corpo del package. Tutte le dimensioni sono fornite in millimetri con una tolleranza standard di ±0,25mm salvo diversa indicazione. Il contorno fisico e le dimensioni sono essenziali per la progettazione dell'impronta PCB e per garantire un corretto montaggio nell'assemblaggio.

4.2 Identificazione della Polarità e Pinout

Il dispositivo ha tre pin: Collettore, Emettitore e Base (spesso lasciata scollegata o utilizzata per il biasing in alcune configurazioni). Il tipico pinout per un fototransistor in questo package è: guardando il dispositivo dall'alto (lato lente) con il lato piatto o l'intaglio rivolto in una direzione specifica, i pin da sinistra a destra sono solitamente Emettitore, Collettore e Base. Tuttavia, i progettisti devono sempre verificare il pinout dal disegno meccanico nella scheda tecnica per evitare errori di connessione. Il package può anche avere una marcatura o un'incisione per identificare il pin 1.

5. Linee Guida per Saldatura e Assemblaggio

5.1 Parametri di Saldatura a Rifusione

Sebbene i dettagli specifici del profilo di rifusione non siano forniti in questo estratto, i Valori Massimi Assoluti forniscono un vincolo critico: i terminali possono resistere a una temperatura di saldatura di 260°C per un massimo di 5 secondi quando misurati a 1,6 mm dal corpo del package. Ciò implica che i profili standard di rifusione senza piombo (che spesso hanno un picco intorno a 245-260°C) sono accettabili, ma il tempo sopra il liquidus deve essere controllato per prevenire danni al package. Si raccomanda di seguire gli standard JEDEC o IPC per la saldatura di dispositivi incapsulati in plastica.

5.2 Precauzioni per la Manipolazione e lo Stoccaggio

Il dispositivo deve essere maneggiato con le precauzioni standard ESD (scarica elettrostatica), poiché la giunzione del semiconduttore può essere danneggiata dall'elettricità statica. Lo stoccaggio deve avvenire entro l'intervallo di temperatura specificato di -55°C a +100°C in un ambiente a bassa umidità. La lente deve essere mantenuta pulita e priva di graffi, contaminanti o fuoriuscite di epossidico durante l'assemblaggio, poiché questi possono influenzare significativamente le prestazioni ottiche e la sensibilità.

6. Suggerimenti per l'Applicazione

6.1 Circuiti di Applicazione Tipici

La configurazione di circuito più comune è la "modalità interruttore". Il collettore del fototransistor è collegato a una tensione di alimentazione positiva (V_CC) attraverso una resistenza di pull-up (R_L). L'emettitore è collegato a massa. Il segnale di uscita è prelevato dal nodo del collettore. Quando non c'è luce, il dispositivo è spento e l'uscita è portata alta a V_CC. Quando una luce infrarossa sufficiente colpisce il dispositivo, questo si accende, portando la tensione di uscita bassa verso V_CE(SAT). Il valore di R_Ldetermina l'escursione dell'uscita, il consumo di corrente e la velocità di commutazione, come mostrato nelle curve di prestazione.

6.2 Considerazioni di Progettazione

I fattori di progettazione chiave includono:Biasing:Assicurarsi che la V_CEoperativa sia entro il valore massimo (30V).Selezione della Resistenza di Carico:Scegliere R_Lin base alla velocità di commutazione richiesta (vedi Fig. 3), all'escursione della tensione di uscita e al consumo di potenza. Una R_Lpiù piccola fornisce una velocità maggiore ma una corrente più alta.Allineamento Ottico:Considerare il diagramma di sensibilità angolare (Fig. 5) quando si progetta il percorso ottico tra l'emettitore IR e il rilevatore.Immunità alla Luce Ambiente:Sebbene il dispositivo sia principalmente sensibile all'IR, forti sorgenti IR ambientali (come la luce solare o lampadine a incandescenza) possono causare falsi inneschi. L'uso di un segnale IR modulato e di un rilevamento sincrono può migliorare notevolmente l'immunità al rumore.Effetti della Temperatura:Tenere conto dell'aumento della corrente di buio con la temperatura, che potrebbe richiedere un aggiustamento della soglia nel circuito di rilevamento.

7. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto a un semplice fotodiodo, un fototransistor fornisce un guadagno interno, risultando in una corrente di uscita molto più grande per lo stesso ingresso di luce, spesso eliminando la necessità di uno stadio amplificatore aggiuntivo. Rispetto ad altri fototransistor, la differenziazione dell'LTR-3208 risiede nella sua specifica combinazione di package (con lente integrata per una maggiore sensibilità), nei suoi bin di corrente definiti che consentono la selezione della sensibilità e nei suoi valori elettrici bilanciati (30V V_CEO, 100mW P_D). Il basso V_CE(SAT)è anche una caratteristica favorevole per una commutazione digitale pulita.

8. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è lo scopo dei diversi bin (C, D, E, F) per I_C(ON)?

? R: Il binning ordina i dispositivi in base alla loro sensibilità. I dispositivi del Bin F hanno la corrente di uscita minima più alta (più sensibili), mentre quelli del Bin C hanno la più bassa. Ciò consente di scegliere un componente che corrisponda al livello di segnale richiesto dal sistema, garantendo coerenza e potenzialmente semplificando la progettazione del circuito fornendo un intervallo di segnale prevedibile.

D: Posso usare questo sensore alla luce del sole?

R: La luce solare diretta contiene una quantità significativa di radiazione infrarossa e probabilmente saturerà il sensore, causando uno stato "ON" costante. Per uso esterno o in ambienti molto illuminati, si consiglia vivamente l'uso di filtri ottici (un filtro passa-IR che blocca la luce visibile) e/o tecniche di modulazione del segnale per distinguere il segnale IR desiderato dal rumore IR ambientale.

D: Come interpreto i Tempi di Salita e Discesa?

R: Questi specificano la velocità con cui l'uscita può cambiare stato. Un tempo di salita di 10μs significa che impiega circa 10 microsecondi per passare dal 10% al 90% del suo valore finale quando viene applicata la luce. Ciò limita la frequenza massima della luce modulata che può essere rilevata con precisione. Per un semplice rilevamento di oggetti, questa velocità è più che sufficiente. Per comunicazioni ad alta velocità, potrebbe essere un fattore limitante.

9. Esempio di Caso d'Uso Pratico

Scenario: Rilevamento della Carta in una Stampante.Un LTR-3208 (da un bin di sensibilità appropriato) e un LED a infrarossi sono posizionati sui lati opposti del percorso della carta, allineati in modo che la carta interrompa il fascio. Il fototransistor è configurato in un circuito interruttore con una resistenza di pull-up da 10kΩ a 5V. Quando non c'è carta, la luce IR colpisce il sensore, accendendolo e portando il pin di uscita a una bassa tensione (~0,2V). Quando la carta passa, blocca la luce, spegnendo il fototransistor e permettendo al pin di uscita di essere portato alto a 5V. Questo segnale digitale viene inviato a un microcontrollore per tracciare la presenza della carta e il rilevamento del bordo. La lente sull'LTR-3208 aiuta a focalizzare il fascio IR, migliorando l'affidabilità e consentendo un leggero aumento della distanza tra emettitore e rilevatore.

10. Principio di Funzionamento

Un fototransistor è un transistor a giunzione bipolare in cui la regione di base è esposta alla luce. I fotoni incidenti con energia maggiore del bandgap del semiconduttore generano coppie elettrone-lacuna nella giunzione base-collettore. Questi portatori fotogenerati sono equivalenti a una corrente di base. A causa dell'amplificazione di corrente del transistor (beta o h_FE), questa piccola fotocorrente viene moltiplicata, risultando in una corrente di collettore molto più grande. Il dispositivo combina essenzialmente il rilevamento della luce di un fotodiodo con il guadagno di corrente di un transistor in un unico package. La lente integrata serve a concentrare più luce sull'area semiconduttrice attiva, aumentando l'effettiva "corrente di base" e quindi il segnale di uscita.

11. Tendenze Tecnologiche

La tendenza generale nei componenti optoelettronici discreti come i fototransistor è verso la miniaturizzazione, una maggiore integrazione e prestazioni migliorate. Ciò include lo sviluppo di package per montaggio superficiale con impronte più piccole e profili più bassi per soddisfare le esigenze dei moderni progetti PCB densi. C'è anche una tendenza verso dispositivi con parametri di prestazione meglio definiti e più coerenti, riducendo la necessità di calibrazione nelle applicazioni finali. In alcune applicazioni avanzate, i fototransistor vengono integrati con circuiti di amplificazione e condizionamento del segnale su chip per creare soluzioni più complete di "sensore in un package", sebbene componenti discreti come l'LTR-3208 rimangano altamente rilevanti per la loro semplicità, affidabilità e convenienza in una vasta gamma di compiti di sensing standard.