Scheda Tecnica Fototransistor LTR-209 - Package Trasparente - Vce 30V - Potenza 100mW - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'LTR-209 è un fototransistor NPN al silicio progettato per applicazioni di rilevamento a infrarossi. È alloggiato in un package plastico trasparente che garantisce un'elevata sensibilità alla luce incidente, in particolare nello spettro infrarosso. Il dispositivo è caratterizzato da un ampio intervallo operativo, affidabilità e convenienza, rendendolo adatto a vari sistemi di rilevamento.

1.1 Vantaggi Principali

• Ampia Gamma di Corrente di Collettore:Il dispositivo supporta un ampio spettro di livelli di corrente di collettore, offrendo flessibilità nella progettazione del circuito e nella regolazione della sensibilità.
• Lente ad Alta Sensibilità:La lente integrata migliora la sensibilità del dispositivo alla radiazione infrarossa incidente, aumentando il rapporto segnale/rumore.
• Package Plastico a Basso Costo:Utilizza un'incapsulamento plastico economico, riducendo il costo complessivo del sistema.
• Package Trasparente:L'involucro trasparente massimizza la quantità di luce che raggiunge l'area semiconduttrice attiva, ottimizzando le prestazioni.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

La seguente sezione fornisce un'interpretazione dettagliata e oggettiva dei principali parametri elettrici e ottici specificati per il fototransistor LTR-209.

2.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti oltre i quali può verificarsi un danno permanente al dispositivo. Il funzionamento in queste condizioni non è garantito.

• Dissipazione di Potenza (P_D):100 mW. Questa è la potenza massima che il dispositivo può dissipare come calore a una temperatura ambiente (T_A) di 25°C. Superare questo limite rischia il thermal runaway e il guasto.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO):30 V. La tensione massima applicabile tra i terminali collettore ed emettitore con la base aperta (solo fotocorrente).
• Tensione Emettitore-Collettore (V_ECO):5 V. La massima tensione inversa applicabile tra emettitore e collettore.
• 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 Conservazione:-55°C a +100°C. L'intervallo di temperatura per la conservazione non operativa senza degrado.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali:260°C per 5 secondi a 1,6 mm dal corpo del package. Definisce il profilo termico accettabile per processi di saldatura manuale o a onda.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Questi parametri sono misurati in specifiche condizioni di test a T_A=25°C e definiscono le prestazioni tipiche del dispositivo.

• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO):30 V (Min). Misurata a I_C= 1mA con irradianza zero (E_e= 0 mW/cm²). Questo conferma il valore massimo assoluto.
• Tensione di Breakdown Emettitore-Collettore (V_(BR)ECO):5 V (Min). Misurata a I_E= 100µA con irradianza zero.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT)):0,4 V (Max). La caduta di tensione sul dispositivo quando è completamente "acceso" (in conduzione), misurata a I_C= 100µA e E_e= 1 mW/cm². Un V_CE(SAT)inferiore è desiderabile per minori perdite di potenza.
• Tempo di Salita (T_r) & Tempo di Discesa (T_f):10 µs (Tip) e 15 µs (Tip) rispettivamente. Questi parametri definiscono la velocità di commutazione del fototransistor. Misurati in condizioni di V_CC=5V, I_C=1mA e R_L=1kΩ. L'asimmetria è comune nei fototransistor.
• Corrente di Buio del Collettore (I_CEO):100 nA (Max). Questa è la corrente di dispersione che scorre dal collettore all'emettitore quando il dispositivo è in completa oscurità (E_e= 0 mW/cm²) e V_CE= 10V. Una bassa corrente di buio è fondamentale per applicazioni ad alta sensibilità per minimizzare il rumore.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

L'LTR-209 utilizza un sistema di binning per il suo parametro chiave,Corrente di Collettore in Stato ON (I_C(ON)). Il binning è un processo di controllo qualità in cui i componenti vengono suddivisi in base alle prestazioni misurate in gruppi specifici o "bin". Ciò consente ai progettisti di selezionare un dispositivo con un intervallo di prestazioni garantito adatto alla loro applicazione.

3.1 Binning della Corrente di Collettore in Stato ON

L'I_C(ON)è misurata in condizioni standardizzate: V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm² e una lunghezza d'onda della sorgente infrarossa (λ) di 940nm. Il dispositivo viene suddiviso nei seguenti bin in base alla corrente misurata:

• BIN C:0,8 mA (Min) a 2,4 mA (Max)
• BIN D:1,6 mA (Min) a 4,8 mA (Max)
• BIN E:3,2 mA (Min) a 9,6 mA (Max)
• BIN F:6,4 mA (Min) - Nessun limite superiore specificato in questo estratto della scheda tecnica.

Implicazioni Progettuali:Un circuito progettato per dispositivi BIN C (corrente inferiore) potrebbe non funzionare correttamente se viene utilizzato un dispositivo BIN F (corrente superiore) senza ricalibrazione, e viceversa. Specificare il codice bin è cruciale per prestazioni di sistema consistenti.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano come i parametri chiave variano con le condizioni operative. Queste sono essenziali per comprendere il comportamento nel mondo reale oltre le specifiche a punto singolo.

4.1 Corrente di Buio del Collettore vs. Temperatura Ambiente (Fig. 1)

Questo grafico mostra che I_CEO(corrente di buio) aumenta esponenzialmente con l'aumentare della temperatura ambiente (T_A). Ad esempio, a 100°C, la corrente di buio può essere di ordini di grandezza superiore rispetto a 25°C. Questo è un comportamento fondamentale dei semiconduttori dovuto all'aumentata generazione termica di portatori di carica.Considerazione Progettuale:Nelle applicazioni ad alta temperatura, l'aumentata corrente di buio può diventare una fonte significativa di rumore, potenzialmente mascherando segnali ottici deboli. Potrebbe essere necessaria una gestione termica o un condizionamento del segnale.

4.2 Dissipazione di Potenza del Collettore vs. Temperatura Ambiente (Fig. 2)

Questa curva di derating mostra la massima dissipazione di potenza ammissibile (P_C) in funzione di T_A. Il valore massimo assoluto di 100 mW è valido solo a o sotto i 25°C. All'aumentare di T_A, la capacità del dispositivo di dissipare calore diminuisce, quindi la potenza massima consentita deve essere ridotta linearmente. A 85°C (la massima temperatura operativa), la dissipazione di potenza ammissibile è significativamente inferiore.Considerazione Progettuale:I circuiti devono essere progettati per garantire che la potenza effettivamente dissipata (V_CE* I_C) non superi il valore derating alla massima temperatura operativa prevista.

4.3 Tempo di Salita/Discesa vs. Resistenza di Carico (Fig. 3)

Questa curva dimostra il compromesso tra velocità di commutazione e ampiezza del segnale. Il tempo di salita (T_r) e di discesa (T_f) aumentano entrambi con una maggiore resistenza di carico (R_L). Un R_Lmaggiore fornisce un'escursione di tensione di uscita maggiore (ΔV = I_C* R_L) ma rallenta il tempo di risposta del circuito perché la capacità di giunzione del transistor impiega più tempo a caricarsi/scaricarsi attraverso la resistenza maggiore.Considerazione Progettuale:Il valore di R_Ldeve essere scelto in base al fatto che l'applicazione dia priorità a una risposta ad alta velocità (R_Linferiore) o a un alto guadagno di tensione in uscita (R_Lsuperiore).

4.4 Corrente di Collettore Relativa vs. Irradianza (Fig. 4)

Questo grafico traccia la corrente di collettore normalizzata rispetto alla densità di potenza ottica incidente (irradianza, E_e). Mostra una relazione lineare nell'intervallo tracciato (0 a ~5 mW/cm²). Questa linearità è una caratteristica chiave dei fototransistor utilizzati in applicazioni di sensing analogico, poiché la corrente di uscita è direttamente proporzionale all'intensità della luce in ingresso. La curva è mostrata per V_CE= 5V.

4.5 Diagramma di Sensibilità (Fig. 5)

Sebbene gli assi esatti siano abbreviati, un "Diagramma di Sensibilità" tipicamente illustra la risposta spettrale del rilevatore. I fototransistor al silicio come l'LTR-209 sono più sensibili alla luce nella regione del vicino infrarosso, con un picco intorno a 800-950 nm. Ciò li rende ideali per l'uso con emettitori infrarossi comuni (come LED con λ=940nm, come riferito nella condizione di test del binning) e per filtrare le interferenze della luce visibile.

5. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

5.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo utilizza un package plastico standard a foro passante. 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 specificazione.
• 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 escono dal corpo del package, il che è critico per il design dell'impronta PCB.

Identificazione della Polarità:Il terminale più lungo è tipicamente il collettore e quello più corto è l'emettitore. Il lato piatto sul bordo del package può anche indicare il lato dell'emettitore. Verificare sempre con il diagramma del package.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

La guida principale fornita è per la saldatura manuale o a onda: i terminali possono essere sottoposti a una temperatura di 260°C per una durata massima di 5 secondi, misurata a una distanza di 1,6mm (.063") dal corpo del package. Ciò previene danni termici al die semiconduttore interno e al package plastico.

Per la Saldatura a Rifusione:Sebbene non esplicitamente dichiarato in questa scheda tecnica, package plastici simili richiedono tipicamente un profilo conforme agli standard JEDEC (es. J-STD-020), con una temperatura di picco solitamente non superiore a 260°C. Il livello di sensibilità all'umidità (MSL) specifico e i requisiti di pre-essiccazione non sono forniti qui e dovrebbero essere confermati con il produttore.

Condizioni di Conservazione:Il dispositivo deve essere conservato nell'intervallo di temperatura specificato da -55°C a +100°C in un ambiente asciutto e non corrosivo. Per la conservazione a lungo termine, si raccomandano precauzioni antistatiche.

7. Suggerimenti per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Rilevamento Oggetti & Sensori di Prossimità:Utilizzato insieme a un LED IR per rilevare la presenza, l'assenza o la prossimità di un oggetto (es. distributori automatici, stampanti, automazione industriale).
• Sensori di Fessura & Encoder:Rilevamento di interruzioni in un fascio IR per contare oggetti o misurare la velocità di rotazione.
• Ricevitori per Telecomandi:Sebbene più lenti dei fotodiodi dedicati, possono essere utilizzati in circuiti ricevitori IR semplici e a basso costo.
• Barriere Luminose & Sistemi di Sicurezza:Creazione di un fascio invisibile per il rilevamento di intrusioni.

7.2 Considerazioni Progettuali e Configurazione del Circuito

La configurazione circuitale più comune è la modalitàemettitore comune. Il fototransistor è collegato con il collettore a un'alimentazione positiva (V_CC) tramite una resistenza di carico (R_L), e l'emettitore è collegato a massa. La luce incidente causa il flusso di una fotocorrente (I_C), generando una tensione di uscita (V_OUT) al nodo del collettore: V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). Al buio, V_OUTè alta (~V_CC). Quando illuminato, V_OUT drops.

Passi Chiave di Progettazione:

1. Selezionare R_L:in base all'escursione di uscita richiesta (V_CC/I_C(ON)) e alla velocità desiderata (vedi Fig. 3). Valori tra 1kΩ e 10kΩ sono comuni.
2. Considerare la Banda Passante:Il valore di R_L, combinato con la capacità di giunzione del dispositivo, forma un filtro passa-basso. Per funzionamento in impulsi, assicurarsi che la costante di tempo RC del circuito sia molto più breve della larghezza dell'impulso.
3. Gestire la Luce Ambiente:Utilizzare filtri ottici (un filtro scuro o passa-IR sul sensore) per bloccare la luce visibile indesiderata e ridurre il rumore.
4. Compensazione della Temperatura:Per il sensing analogico di precisione, considerare la dipendenza dalla temperatura della corrente di buio (Fig. 1). Le tecniche includono l'uso di un sensore di riferimento al buio abbinato in configurazione differenziale o l'implementazione di una compensazione software.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto ad altri rilevatori ottici:

• vs. Fotodiodo:Un fototransistor fornisce un guadagno di corrente intrinseco (β o h_FE), risultando in una corrente di uscita molto più elevata per lo stesso livello di luce. Ciò semplifica la progettazione del circuito poiché è necessaria meno amplificazione successiva. Tuttavia, i fototransistor sono generalmente più lenti (tempi di salita/discesa più lunghi) e hanno un intervallo lineare più limitato rispetto ai fotodiodi.
• vs. Fotodarlington:Un fotodarlington offre un guadagno ancora più elevato di un fototransistor standard ma ha tempi di risposta significativamente più lenti e una tensione di saturazione (V_CE(SAT)) più alta. L'LTR-209 offre un buon equilibrio tra guadagno, velocità e caduta di tensione.
• Caratteristica Differenziante dell'LTR-209:Il suopackage trasparentee la sualente integratasono differenziatori chiave. Molti fototransistor concorrenti utilizzano package in resina epossidica nera che attenuano la luce. Il package trasparente dell'LTR-209 massimizza la sensibilità, mentre la lente aiuta a focalizzare la luce incidente sull'area attiva, migliorando la direzionalità e l'intensità del segnale.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Cosa significa il codice "BIN" e perché è importante?

Il codice BIN (C, D, E, F) categorizza il dispositivo in base alla sua Corrente di Collettore in Stato ON misurata (I_C(ON)). È cruciale perché garantisce un intervallo di prestazioni specifico. Utilizzare un dispositivo del bin sbagliato potrebbe causare al circuito di essere sotto-sensibile o sovra-sensibile, portando a malfunzionamenti. Specificare sempre il bin richiesto quando si ordina.

9.2 Posso utilizzare questo sensore con una sorgente di luce visibile?

Sebbene il materiale al silicio risponda alla luce visibile, la sua sensibilità di picco è nel vicino infrarosso (vedi Fig. 5 implicita). Per prestazioni ottimali e per evitare interferenze dalla luce visibile ambiente, si raccomanda vivamente di abbinarlo a un emettitore infrarosso (tipicamente 850nm, 880nm o 940nm) e utilizzare un filtro passa-IR sul rilevatore.

9.3 Come converto l'uscita in un segnale digitale?

Il metodo più semplice è collegare l'uscita (nodo del collettore) all'ingresso di un inverter a trigger di Schmitt o di un comparatore con isteresi. Ciò converte l'escursione di tensione analogica in un segnale digitale pulito, immune al rumore. La soglia del comparatore dovrebbe essere impostata tra i livelli di tensione di uscita "luce" e "buio".

9.4 Perché la mia uscita è instabile in un ambiente luminoso e caldo?

Ciò è probabilmente dovuto agli effetti combinati dell'alta corrente di buio (che aumenta con la temperatura per Fig. 1) e della risposta alla luce ambiente. Le soluzioni includono: 1) Aggiungere uno scudo fisico o un tubo per limitare il campo visivo, 2) Utilizzare una sorgente IR modulata e un rilevamento sincrono, 3) Implementare un circuito di polarizzazione o compensazione stabile in temperatura.

10. Caso di Studio Pratico di Progettazione

Scenario:Progettazione di un sensore di rilevamento carta per una stampante.

Implementazione:Un LED IR e l'LTR-209 sono posizionati sui lati opposti del percorso della carta, allineati per creare un fascio. Quando la carta è presente, blocca il fascio. Il fototransistor è configurato in modalità emettitore comune con R_L= 4,7kΩ e V_CC= 5V.

Selezione Componenti & Calcoli:Selezionare un dispositivo dal BIN D (I_C(ON)= 1,6-4,8mA). Senza carta (fascio intatto), assumere I_C= 3mA (tipico). V_OUT= 5V - (3mA * 4,7kΩ) = 5V - 14,1V = -9,1V. Questo è impossibile, significa che il transistor è saturo. In saturazione, V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0,4V (un segnale LOW). Quando la carta blocca il fascio, I_C≈ I_CEO(molto piccola, ~nA), quindi V_OUT≈ 5V (un segnale HIGH). Un pin GPIO di un microcontrollore può leggere direttamente questo segnale HIGH/LOW per rilevare la presenza della carta. Si raccomanda un condensatore di disaccoppiamento (es. 100nF) ai pin di alimentazione del sensore per filtrare il rumore.

11. Principio di Funzionamento

Un fototransistor è un transistor a giunzione bipolare (BJT) in cui la regione di base è esposta alla luce. I fotoni incidenti con energia sufficiente creano coppie elettrone-lacuna nella giunzione base-collettore. Questi portatori fotogenerati sono spazzati via dal campo elettrico interno, agendo efficacemente come una corrente di base. Questa "corrente di base ottica" viene quindi amplificata dal guadagno di corrente del transistor (h_FE), risultando in una corrente di collettore molto più grande. L'entità di questa corrente di collettore è proporzionale all'intensità della luce incidente, fornendo la funzione di rilevamento. Il package trasparente e la lente dell'LTR-209 massimizzano il numero di fotoni che raggiungono la giunzione semiconduttrice sensibile.

12. Tendenze Tecnologiche

Fototransistor come l'LTR-209 rappresentano una tecnologia matura ed economica. Le tendenze attuali nell'optoelettronica includono:

• Integrazione:Spostamento verso soluzioni integrate che combinano il fotorilevatore, l'amplificatore e la logica digitale (es. interruttori ottici con uscita logica integrata) su un singolo chip, riducendo il numero di componenti esterni e migliorando l'immunità al rumore.
• Dispositivi a Montaggio Superficiale (SMD):Sebbene i package a foro passante rimangano popolari per prototipazione e alcune applicazioni, c'è un forte spostamento dell'industria verso package SMD più piccoli (es. SMT-3) per il montaggio automatizzato e design con vincoli di spazio.
• Prestazioni Migliorate:Sviluppo di dispositivi con tempi di risposta più rapidi, correnti di buio più basse e stabilità termica migliorata per applicazioni più impegnative in automotive, industriale ed elettronica di consumo.
• Ottimizzazione Specifica per Applicazione:I sensori vengono personalizzati per lunghezze d'onda specifiche (es. per il monitoraggio della frequenza cardiaca a specifiche lunghezze d'onda IR) o con filtri diurni integrati.

Il principio di funzionamento fondamentale del fototransistor rimane valido, e dispositivi come l'LTR-209 continuano a essere una scelta affidabile per una vasta gamma di esigenze di rilevamento da base a intermedia grazie alla loro semplicità, robustezza e basso costo.