Scheda Tecnica Fototransistor LTR-1650D - Dimensioni Package 5.0x4.0x3.2mm - Tensione 30V - Potenza 100mW - Package Trasparente Scuro - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

L'LTR-1650D è un fototransistor NPN al silicio progettato per applicazioni di rilevamento a infrarossi. È alloggiato in un package plastico trasparente scuro a basso costo, che consente un efficace filtraggio della luce visibile trasmettendo le lunghezze d'onda infrarosse, principalmente attorno ai 940nm. La lente integrata migliora la sensibilità del dispositivo focalizzando la radiazione infrarossa incidente sull'area attiva del transistor. Questo componente è progettato per affidabilità e prestazioni in un'ampia gamma di temperature operative, rendendolo adatto a vari sistemi di sensing e controllo.

2. Caratteristiche Principali e Vantaggi Chiave

• Ampia Gamma di Corrente di Collettore:Il dispositivo offre diversi bin di prestazione (da A a F) che forniscono un'ampia selezione di corrente di collettore in stato ON (IC(ON)) da un minimo di 0.2mA a oltre 9.6mA, consentendo ai progettisti di selezionare un componente che corrisponda a specifici requisiti di sensibilità.
• Lente ad Alta Sensibilità:La lente in epossidica integrata aumenta l'area di raccolta effettiva per la luce infrarossa, migliorando il rapporto segnale/rumore e la responsività complessiva.
• Package Plastico Conveniente:Utilizza un contenitore plastico standard ed economico per la produzione di massa e un'ampia adozione sul mercato.
• Package Trasparente Scuro Speciale:Il materiale del package è colorato per attenuare la luce visibile, riducendo l'interferenza delle sorgenti luminose ambientali e migliorando le prestazioni in ambienti con condizioni di luce fluttuanti.

3. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

3.1 Valori Massimi Assoluti

Questi valori definiscono i limiti di stress 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 a T_A=25°C. Questa è la massima potenza che il dispositivo può dissipare in sicurezza sotto forma di calore.
• Tensione Collettore-Emettitore (V_CEO):30 V. La massima tensione che può essere applicata tra i terminali di collettore ed emettitore con la base aperta.
• Tensione Emettitore-Collettore (V_ECO):5 V. La massima tensione inversa applicabile tra emettitore e collettore.
• Intervallo di Temperatura Operativa (T_opr):-40°C a +85°C. L'intervallo di temperatura ambiente entro il quale il dispositivo è specificato per funzionare.
• Intervallo di Temperatura di Stoccaggio (T_stg):-55°C a +100°C.
• Temperatura di Saldatura dei Terminali:260°C per 5 secondi a una distanza di 1.6mm dal corpo del package. Questo è critico per i processi di saldatura a onda o a rifusione.

3.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche (T_A=25°C)

I seguenti parametri sono testati in condizioni specifiche e definiscono le prestazioni del dispositivo.

• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO):30 V (Min). Testato a I_C= 1mA senza irradianza (E_e= 0 mW/cm²).
• Tensione di Breakdown Emettitore-Collettore (V_(BR)ECO):5 V (Min). Testato a I_E= 100µA senza irradianza.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT)):0.4 V (Max). La caduta di tensione ai capi del transistor quando è completamente "acceso", testata a I_C= 100µA e E_e= 1 mW/cm². Un basso V_CE(SAT)è desiderabile per una commutazione efficiente.
• Tempo di Salita (T_r) & Tempo di Discesa (T_f):10 µs (Tip). Questi parametri di velocità di commutazione sono misurati con V_CC=5V, I_C=1mA e R_L=1kΩ. Determinano la rapidità con cui il fototransistor può rispondere ai cambiamenti dell'intensità luminosa.
• Corrente di Buio del Collettore (I_CEO):100 nA (Max). Questa è la corrente di dispersione che scorre attraverso il collettore quando il dispositivo è in completa oscurità (E_e= 0 mW/cm²) con V_CE= 10V. Una bassa corrente di buio è essenziale per un buon rapporto segnale/rumore nel rilevamento a bassa luminosità.

3.3 Sistema di Binning per la Corrente di Collettore in Stato ON (I_C(ON))

L'LTR-1650D è categorizzato in diversi bin in base alla sua sensibilità, definita dalla Corrente di Collettore in Stato ON misurata in condizioni standardizzate (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm). Ciò consente una selezione precisa in base ai requisiti di guadagno dell'applicazione.

• Bin A:0.2 - 0.6 mA
• Bin B:0.4 - 1.2 mA
• Bin C:0.8 - 2.4 mA
• Bin D:1.6 - 4.8 mA
• Bin E:3.2 - 9.6 mA
• Bin F:6.4 mA (Min)

I progettisti dovrebbero consultare il codice bin specifico quando effettuano l'ordine per garantire che il fototransistor soddisfi le esigenze di sensibilità e corrente di uscita del circuito.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che illustrano come i parametri chiave variano con le condizioni ambientali ed elettriche.

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

Questa curva mostra che la corrente di buio del collettore (I_CEO) aumenta esponenzialmente con l'aumentare della temperatura ambiente. Questo è un comportamento fondamentale dei semiconduttori in cui i portatori di carica generati termicamente diventano più prevalenti. Nelle applicazioni ad alta temperatura, questa maggiore corrente di dispersione può diventare una fonte significativa di rumore e deve essere presa in considerazione nella progettazione della soglia dell'amplificatore di sensing.

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

Il grafico mostra la derating della massima dissipazione di potenza ammissibile all'aumentare della temperatura ambiente. A 25°C, il dispositivo può gestire 100mW. All'aumentare della temperatura, questo valore diminuisce linearmente. Per un funzionamento affidabile sopra i 25°C, la potenza effettivamente dissipata (V_CE* I_C) deve essere mantenuta al di sotto della curva di derating. Questo è cruciale per prevenire la fuga termica e garantire l'affidabilità a lungo termine.

4.3 Tempi di Salita e Discesa vs. Resistenza di Carico (Fig. 3)

Questa curva dimostra il compromesso tra velocità di commutazione e resistenza di carico (R_L). I tempi di salita e discesa aumentano con resistori di carico più grandi. Questo perché un R_Lpiù grande crea una costante di tempo RC maggiore con la capacità di giunzione del fototransistor. Per applicazioni che richiedono il rilevamento di impulsi veloci, dovrebbe essere utilizzato un resistore di carico più piccolo, sebbene a scapito di una ridotta escursione della tensione di uscita.

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

Questo grafico mostra la relazione tra l'irradianza infrarossa incidente (E_e) e la conseguente corrente di collettore. La risposta è generalmente lineare in un certo intervallo, il che è ideale per applicazioni di sensing luminoso analogico. La pendenza di questa linea rappresenta la responsività del dispositivo. Comprendere questa caratteristica è fondamentale per calibrare l'uscita del sensore a un livello specifico di intensità luminosa.

4.5 Diagramma di Sensibilità (Fig. 5)

Questo diagramma polare illustra la dipendenza angolare della sensibilità del fototransistor. La sensibilità è tipicamente massima quando la luce infrarossa incide perpendicolarmente alla lente (0°). Diminuisce all'aumentare dell'angolo di incidenza. Questa caratteristica è vitale per progettare il percorso ottico in un'applicazione, ad esempio per garantire un corretto allineamento in un interruttore ottico a fessura o per definire il campo visivo per un sensore di prossimità.

5. Informazioni Meccaniche e sul Package

5.1 Dimensioni del Package

Il dispositivo utilizza un package radiale con terminali standard da 3mm (T-1). Le dimensioni chiave includono:

• Diametro del corpo del package: Circa 5.0mm.
• Altezza del package: Circa 3.2mm (esclusi i terminali).
• Distanza tra i terminali: Misurata dove i terminali emergono dal package, tipicamente 2.54mm (0.1").
• È consentita una sporgenza massima della resina di 1.5mm sotto la flangia.

Nota:Tutte le dimensioni sono in millimetri con una tolleranza standard di ±0.25mm salvo diversa specificazione. I progettisti devono fare riferimento al disegno meccanico dettagliato per una pianificazione precisa dell'impronta e del posizionamento.

5.2 Identificazione della Polarità

Il fototransistor ha due terminali: il Collettore e l'Emettitore. Il terminale più lungo è tipicamente il Collettore. Il package può anche avere un lato piatto o altri segni vicino al terminale del Collettore. La polarità corretta è essenziale per il corretto funzionamento del circuito e per applicare la tensione di polarizzazione corretta.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

• Saldatura Manuale:Utilizzare un saldatore a temperatura controllata. Limitare il tempo di saldatura per evitare un trasferimento eccessivo di calore al die del semiconduttore.
• Saldatura a Onda/Rifusione:Rispettare rigorosamente il valore massimo: 260°C per 5 secondi, misurati a 1.6mm dal corpo del package. Superare questo limite può danneggiare i bonding interni o il package in epossidica.
• Pulizia:Utilizzare solventi appropriati compatibili con la resina epossidica trasparente scura. Evitare la pulizia a ultrasuoni a meno che non sia verificata la sicurezza per il package.
• Stoccaggio:Conservare in un ambiente asciutto e antistatico entro l'intervallo di temperatura specificato di -55°C a +100°C per prevenire l'assorbimento di umidità (che può causare il "popcorning" durante la rifusione) e danni da scariche elettrostatiche.

7. Suggerimenti Applicativi e Considerazioni di Progettazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Rilevamento e Interruzione di Oggetti:Utilizzato in interruttori ottici a fessura (es. rilevamento carta nelle stampanti, sensori di finecorsa nelle stampanti 3D).
• Sensing di Prossimità:Abbinato a un LED a infrarossi per il rilevamento senza contatto di oggetti.
• Encoder:Rilevamento di pattern su dischi rotanti per la misurazione di velocità o posizione.
• Controllo Industriale:Sensing in apparecchiature automatizzate dove è richiesta l'immunità alla luce ambientale.
• Elettronica di Consumo:Ricevitori per telecomandi IR (sebbene spesso utilizzati con circuiti integrati dedicati, un fototransistor può formare lo stadio di ingresso).

7.2 Considerazioni di Progettazione Critiche

• Circuito di Polarizzazione:Il fototransistor può essere utilizzato in configurazione a interruttore (emettitore comune) o a inseguitore (emettitore inseguitore). La configurazione a emettitore comune fornisce guadagno di tensione ed è comune per la commutazione digitale. È richiesto un resistore di pull-up (R_L).
• Selezione di R_L:Il valore del resistore di carico comporta un compromesso. Un R_Lpiù grande fornisce un'escursione della tensione di uscita maggiore per una data fotocorrente, ma rallenta la velocità di commutazione (vedi Fig. 3). Scegliere in base alla velocità e al livello del segnale richiesti.
• Reiezione della Luce Ambientale:Sebbene il package scuro aiuti, forti sorgenti IR ambientali (luce solare, lampade a incandescenza) possono saturare il sensore. Considerare l'uso di filtri ottici, la modulazione della sorgente IR e l'uso di tecniche di rilevamento sincrono.
• Compensazione della Temperatura:Per il sensing analogico di precisione, la variazione della corrente di buio e della sensibilità con la temperatura (Figg. 1 & 2) deve essere compensata nel circuito di condizionamento del segnale.
• Rumore Elettrico:Il nodo ad alta impedenza al collettore può essere suscettibile alle interferenze elettromagnetiche (EMI). Mantenere le tracce corte, utilizzare schermature se necessario e considerare l'aggiunta di un piccolo condensatore (es. 10-100pF) in parallelo a R_Lper filtrare il rumore ad alta frequenza, tenendo conto del suo impatto sulla velocità.

8. Confronto Tecnico e Differenziazione

Rispetto a un fotodiodo base, un fototransistor come l'LTR-1650D fornisce un guadagno interno, producendo una corrente di uscita molto più grande per lo stesso ingresso luminoso, il che spesso elimina la necessità di un amplificatore esterno aggiuntivo in semplici applicazioni di commutazione. Rispetto a un transistor foto-Darlington, offre tempi di risposta più veloci (µs contro decine/centinaia di µs) ma un guadagno inferiore. Il sistema di binning specifico per I_C(ON)consente una progettazione del sistema più precisa rispetto a dispositivi con una singola specifica ampia. Il package trasparente scuro è un differenziatore chiave rispetto ai package trasparenti, offrendo una soppressione integrata della luce visibile.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

9.1 Cosa significa la specifica "BIN" e come si sceglie?

Il codice BIN (da A a F) specifica l'intervallo garantito della sensibilità del fototransistor (I_C(ON)). Scegliere un bin in base alla corrente di uscita richiesta per il tuo specifico livello di irradianza. Per applicazioni ad alta sensibilità/bassa luminosità, selezionare un bin con lettera più alta (es. E o F). Per applicazioni sensibili al costo in cui l'alto guadagno non è critico, un bin più basso (A o B) può essere sufficiente.

9.2 Perché la corrente di buio è importante?

La corrente di buio (I_CEO) è il segnale di uscita presente quando non incide luce. Stabilisce il limite inferiore della luce rilevabile e agisce come una fonte di rumore. Nelle applicazioni di commutazione digitale, la soglia di rilevamento del circuito deve essere impostata al di sopra della massima corrente di buio prevista, specialmente ad alte temperature dove aumenta significativamente.

9.3 In che modo la resistenza di carico influisce sulle prestazioni?

La resistenza di carico (R_L) influisce direttamente su due parametri chiave:Tensione di Uscita(V_out= I_C* R_L) eVelocità di Commutazione(vedi Fig. 3). Devi selezionare R_Lper ottenere l'escursione di tensione necessaria per i tuoi livelli logici o l'ingresso ADC, assicurando anche che i tempi di salita/discesa siano abbastanza veloci per la velocità dati o il tempo di risposta della tua applicazione.

9.4 Posso utilizzarlo sotto la luce solare diretta?

Il package trasparente scuro fornisce un certo grado di reiezione, ma la luce solare diretta contiene una radiazione infrarossa intensa che può facilmente saturare il sensore. Per l'uso all'aperto, sono obbligatorie misure aggiuntive: ombreggiamento fisico (parasole), filtri ottici a banda stretta centrati sulla lunghezza d'onda della tua sorgente IR (es. 940nm) e, preferibilmente, l'uso di una sorgente IR modulata con rilevamento sincrono nel circuito ricevitore per distinguere il segnale dalla componente DC costante della luce solare.

10. Studio di Caso Pratico di Progettazione e Utilizzo

Scenario: Progettazione di un Sensore di Rilevamento Carta per una Stampante.

1. Selezione:Scegliere un bin di sensibilità media (es. Bin C o D) per garantire un'attivazione affidabile senza essere eccessivamente sensibile alla polvere o ai riflessi.
2. Configurazione del Circuito:Utilizzare una configurazione a interruttore a emettitore comune. Accoppiare l'LTR-1650D con un LED a infrarossi (es. 940nm) posizionato sul lato opposto del percorso della carta.
3. Dimensionamento dei Componenti:Selezionare un valore di R_L(es. 4.7kΩ) che fornisca un'uscita logica bassa (vicino a 0V) quando la carta è presente (blocca la luce, I_Cè bassa) e un'uscita logica alta (vicino a V_CC) quando la carta è assente (luce presente, I_Cè alta). Verificare che i livelli di tensione siano compatibili con i pin di ingresso del microcontrollore.
4. Immunità al Rumore:Aggiungere un condensatore da 10nF in parallelo a R_Lper sopprimere il rumore elettrico dei motori della stampante. La velocità risultante (~100µs) è comunque molto più veloce del movimento meccanico della carta.
5. Allineamento:Utilizzare il diagramma di sensibilità (Fig. 5) per guidare la progettazione meccanica. Assicurarsi che il LED IR e il fototransistor siano allineati entro il cono di alta sensibilità (es. ±20°) per massimizzare l'intensità del segnale.
6. Test:Testare il sensore nelle condizioni peggiori: alta temperatura (per verificare l'aumento della corrente di buio) e con vari tipi di carta (alcuni possono essere più traslucidi agli IR).

11. 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. I fotoni incidenti con energia maggiore della banda proibita del semiconduttore vengono assorbiti nella regione della giunzione base-collettore, creando coppie elettrone-lacuna. Il campo elettrico nella giunzione collettore-base polarizzata inversamente spazza via questi portatori, generando efficacemente 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_FE), risultando in una corrente di collettore molto più grande (I_C= h_FE* I_B). Questa amplificazione interna è il vantaggio chiave rispetto a un semplice fotodiodo. Il materiale del package trasparente scuro agisce come un filtro passa-alto, permettendo il passaggio delle lunghezze d'onda infrarosse (come 940nm) mentre assorbe le lunghezze d'onda visibili più corte, migliorando così il rapporto segnale/rumore in ambienti con luce visibile.

12. Tendenze e Sviluppi del Settore

Il settore dell'optoelettronica continua a evolversi. Mentre fototransistor discreti come l'LTR-1650D rimangono vitali per applicazioni sensibili al costo, ad alto volume o con prestazioni specifiche, le tendenze più ampie includono:

• Integrazione:Crescente integrazione del fotorivelatore con amplificatori di front-end analogici, convertitori analogico-digitali (ADC) e logica digitale in soluzioni a chip singolo (es. sensori di luce ambientale, moduli di sensori di prossimità). Questi offrono un'uscita digitale calibrata, un'impronta più piccola e una progettazione semplificata, ma possono avere un costo unitario più elevato.
• Miniaturizzazione:Domanda di dimensioni del package più piccole (es. package chip-scale) per adattarsi all'elettronica di consumo in continua riduzione.
• Prestazioni Migliorate:Sviluppo di dispositivi con correnti di buio più basse, tempi di risposta più rapidi (nell'intervallo dei nanosecondi) e maggiore sensibilità per applicazioni più impegnative come LiDAR e comunicazioni ad alta velocità.
• Specializzazione:Sensori personalizzati per lunghezze d'onda specifiche (es. per il monitoraggio della frequenza cardiaca, il sensing di gas) o con filtri spettrali integrati.

I fototransistor discreti manterranno probabilmente la loro posizione nelle applicazioni in cui la loro semplicità, robustezza, basso costo e caratteristiche prestazionali specifiche (come il package scuro dell'LTR-1650D) forniscono una soluzione ottimale.