Scheda Tecnica LTR-306 Fototransistor - Package Laterale - Corrente di Collettore fino a 2.4mA - Tensione 30V - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il LTR-306 è un fototransistor NPN in silicio racchiuso in un package plastico laterale. Questo componente è progettato per rilevare radiazioni infrarosse, convertendo la luce incidente in una corrente elettrica al suo terminale di collettore. La sua funzione principale è quella di sensore di luce in vari circuiti elettronici, dove agisce come un interruttore comandato dalla luce o un sensore analogico di intensità luminosa. L'orientamento del package laterale è una caratteristica chiave, il che significa che l'area sensibile è perpendicolare alla direzione dei terminali, ottimale per applicazioni in cui la sorgente luminosa è posizionata lateralmente al PCB.

I vantaggi principali di questo dispositivo includono la sua ampia gamma operativa di corrente di collettore, che offre flessibilità di progettazione per diverse esigenze di sensibilità. La lente integrata è progettata per migliorare la sensibilità focalizzando la luce infrarossa in arrivo sulla regione semiconduttrice attiva. Inoltre, l'uso di un package plastico a basso costo lo rende una scelta economica per applicazioni consumer e industriali ad alto volume, dove il rapporto costo-efficacia è cruciale senza sacrificare i parametri prestazionali essenziali.

Il mercato target per il LTR-306 comprende un ampio spettro di applicazioni che richiedono un rilevamento infrarosso affidabile. Ciò include, ma non si limita a, sistemi di rilevamento e conteggio oggetti, sensori di fessura (ad es., in stampanti e distributori automatici), sensori di fine nastro, sensori di prossimità e apparecchiature per l'automazione industriale. Il suo design robusto e le prestazioni specificate lo rendono adatto all'integrazione sia in sistemi elettronici semplici che complessi.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 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. La massima dissipazione di potenza è di 100 mW a una temperatura ambiente (T_A) di 25°C. La tensione collettore-emettitore (V_CE) non deve superare i 30 V, mentre la tensione inversa emettitore-collettore (V_EC) è limitata a 5 V. Il dispositivo è classificato per funzionare entro un intervallo di temperatura ambiente da -40°C a +85°C e può essere conservato a temperature 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, un requisito standard per i processi di saldatura a onda o a rifusione.

2.2 Caratteristiche Elettriche e Ottiche

Tutti i parametri elettrici e ottici sono specificati a T_A=25°C, fornendo una base di riferimento per il confronto delle prestazioni.

• Tensione di Breakdown Collettore-Emettitore (V_(BR)CEO):Minimo 30V (I_C= 1mA, E_e=0). Questa è la tensione alla quale la giunzione va in breakdown in assenza di luce.
• Tensione di Breakdown Emettitore-Collettore (V_(BR)ECO):Minimo 5V (I_E= 100μA, E_e=0). Questo parametro è importante per le condizioni di polarizzazione inversa.
• Tensione di Saturazione Collettore-Emettitore (V_CE(SAT)):Tipicamente 0,1V, con un massimo di 0,4V (I_C= 100μA, E_e=1 mW/cm²). Questa bassa tensione indica buone prestazioni di commutazione quando il transistor è completamente acceso.
• Tempo di Salita (T_r) & Tempo di Discesa (T_f):Massimo 20 μs ciascuno (V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ). Questi parametri definiscono la velocità di commutazione del fototransistor in risposta a un impulso luminoso.
• Corrente di Collettore al Buio (I_CEO):Massimo 100 nA (V_CE= 10V, E_e=0). Questa è la corrente di dispersione quando non è presente luce, un parametro critico per la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione e il rapporto segnale-rumore.

3. Spiegazione del Sistema di Binning

Il LTR-306 utilizza un sistema di binning per il suo parametro chiave, la Corrente di Collettore in Stato Acceso (I_C(ON)). Il binning è un processo di controllo qualità e selezione che raggruppa i componenti in base alle prestazioni misurate entro intervalli specificati. Ciò garantisce coerenza per l'utente finale. Il dispositivo viene testato in condizioni standard (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ=940nm).

I bin sono etichettati da A a F, ciascuno rappresentante un intervallo specifico di I_C(ON):

• Bin A:0,20 mA a 0,60 mA
• Bin B:0,40 mA a 1,08 mA
• Bin C:0,72 mA a 1,56 mA
• Bin D:1,04 mA a 1,80 mA
• Bin E:1,20 mA a 2,40 mA
• Bin F:Minimo 1,60 mA (nessun limite superiore specificato nei dati forniti)

Questo sistema consente ai progettisti di selezionare un bin che corrisponda alla sensibilità richiesta dal loro circuito. Ad esempio, un circuito che necessita di una corrente di uscita elevata per pilotare direttamente un relè o un LED potrebbe specificare il Bin E o F, mentre un circuito di sensing a bassa potenza potrebbe utilizzare il Bin A o B per minimizzare il consumo energetico.

4. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica include diverse curve caratteristiche tipiche che illustrano come i parametri chiave variano con le condizioni operative. Queste sono essenziali per comprendere il comportamento del dispositivo oltre le specifiche puntuali.

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

Questa curva mostra che la corrente di collettore al buio (I_CEO) aumenta esponenzialmente con l'aumentare della temperatura ambiente. A -40°C, è nell'intervallo dei picoampere, ma può salire a circa 100 μA a 120°C. Questa caratteristica è cruciale per applicazioni ad alta temperatura, poiché l'aumento della corrente al buio agisce come un offset o una sorgente di rumore, potenzialmente riducendo la sensibilità effettiva e la dinamica del sensore.

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

Questo grafico dimostra la derating della massima dissipazione di potenza consentita all'aumentare della temperatura ambiente. Mentre il dispositivo può dissipare 100 mW a 25°C, questa specifica deve essere ridotta linearmente a temperature più elevate per prevenire la fuga termica e garantire l'affidabilità. La curva fornisce i dati necessari per la gestione termica nella progettazione dell'applicazione.

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

Questo grafico rivela il compromesso tra velocità di commutazione e resistenza di carico. I tempi di salita e discesa (T_r, T_f) aumentano significativamente all'aumentare del valore della resistenza di carico (R_L). Per un carico di 1kΩ, il tempo è di circa 20μs, ma può superare i 150μs per un carico di 10kΩ. I progettisti devono scegliere R_Lper bilanciare l'esigenza di un tempo di risposta veloce con l'escursione di tensione o il livello di corrente di uscita desiderati.

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

Questa è una caratteristica di trasferimento fondamentale. Mostra che la corrente di collettore è relativamente lineare con l'irradianza della luce incidente (E_e) nell'intervallo inferiore (0-2 mW/cm²) quando V_CEè mantenuta a 5V. Questa regione lineare è dove il dispositivo può essere utilizzato per la misurazione analogica della luce. A livelli di irradianza più elevati, la risposta può iniziare a saturare.

4.5 Diagramma di Sensibilità (Fig. 5)

Questo diagramma polare illustra la sensibilità angolare del fototransistor. La sensibilità relativa è tracciata rispetto all'angolo della luce incidente. Mostra che il dispositivo ha un angolo di visione specifico in cui la sensibilità è massima (tipicamente sull'asse, 0°). La sensibilità diminuisce man mano che la sorgente luminosa si sposta fuori asse. Questo diagramma è vitale per l'allineamento meccanico nell'applicazione finale per garantire un accoppiamento ottimale tra la sorgente luminosa e il sensore.

5. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

Il LTR-306 utilizza un package plastico laterale. Le dimensioni sono fornite nella scheda tecnica con tutte le misure in millimetri (pollici tra parentesi). Le tolleranze dimensionali chiave sono tipicamente ±0,25 mm salvo diversa specifica. La spaziatura dei terminali è misurata nel punto in cui i terminali emergono dal corpo del package, aspetto critico per il design dell'impronta sul PCB. Il package include una lente modellata nella plastica per migliorare l'efficienza di raccolta ottica. L'orientamento laterale significa che l'area sensibile attiva è sul lato del componente, non sulla parte superiore. Un'identificazione chiara della polarità (pin emettitore e collettore) è fornita nel disegno del package, essenziale per un corretto assemblaggio della scheda a circuito stampato.

6. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il dispositivo è adatto per processi standard di assemblaggio PCB. Il valore massimo assoluto specifica che i terminali possono resistere a una temperatura di saldatura di 260°C per 5 secondi quando misurati a 1,6 mm (0,063") dal corpo del package. Questa specifica è compatibile con i profili tipici di saldatura a onda e a rifusione. Si raccomanda di seguire le linee guida standard JEDEC o IPC per la gestione della sensibilità all'umidità, se applicabile, sebbene il package plastico sia generalmente robusto. Durante la saldatura, si dovrebbe evitare uno stress termico eccessivo sul package. Dopo l'assemblaggio, la pulizia dovrebbe essere eseguita con solventi compatibili con il materiale plastico. Per lo stoccaggio, si dovrebbe osservare l'intervallo specificato da -55°C a +100°C, e i componenti sono tipicamente forniti in sacchetti barriera all'umidità con essiccante.

7. Raccomandazioni per l'Applicazione

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Rilevamento/Interruzione Oggetti:Utilizzato in coppia con un LED infrarosso per rilevare la presenza o l'assenza di un oggetto che interrompe il fascio. Comune in stampanti, fotocopiatrici, distributori automatici e contatori industriali.
• Sensori di Prossimità:Rilevamento del riflesso della luce infrarossa da un oggetto vicino.
• Barriere Luminose/Sensori di Fessura:Rilevamento del bordo di un nastro, carta o altro materiale.
• Encoder:Utilizzato in encoder ottici rotativi o lineari per leggere i pattern su una ruota o una striscia codificata.
• Ricevitori per Telecomandi Semplici:Per il rilevamento di comandi infrarossi di base (sebbene moduli ricevitori dedicati siano più comuni per protocolli complessi).

7.2 Considerazioni di Progettazione

• Polarizzazione:Il fototransistor può essere utilizzato in due configurazioni comuni: modalità interruttore (con una resistenza di pull-up) o modalità analogica (in configurazione amplificatore a emettitore comune). Il valore della resistenza di carico (R_L) influisce criticamente sia sulla tensione/corrente di uscita che sulla velocità di risposta (vedi Fig. 3).
• Immunità alla Luce Ambiente:Per un funzionamento affidabile in ambienti con luce ambiente variabile (ad es., luce solare, luci della stanza), è spesso necessaria la modulazione della sorgente infrarossa e il corrispondente filtraggio o demodulazione del segnale del fototransistor.
• Lente e Allineamento:Un corretto allineamento meccanico tra l'emettitore infrarosso e il fototransistor, considerando il suo orientamento laterale e il diagramma di sensibilità angolare (Fig. 5), è essenziale per massimizzare la forza del segnale e l'affidabilità.
• Effetti della Temperatura:La progettazione deve tenere conto della variazione della corrente al buio (Fig. 1) e della sensibilità con la temperatura, specialmente in ambienti esterni o ostili.
• Rumore Elettrico:Nei circuiti analogici sensibili, possono essere necessari schermaggio e una corretta messa a terra per prevenire la captazione di rumore sul nodo ad alta impedenza del fototransistor.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto a un fotodiodo standard, un fototransistor come il LTR-306 fornisce un guadagno interno, risultando in una corrente di uscita molto più elevata per lo stesso ingresso luminoso. Ciò elimina la necessità di un amplificatore di transimpedenza esterno in molti semplici circuiti di rilevamento, riducendo il numero di componenti e il costo. Rispetto ad altri fototransistor, i vantaggi specifici del LTR-306 risiedono nel suopackage laterale, che è un fattore di forma meccanico distinto adatto per percorsi ottici specifici, nella suaampia gamma di binning della corrente di collettoreche offre flessibilità, e nella sualente integrata per una sensibilità migliorata. I suoi tempi di salita/discesa specificati e le tensioni nominali lo rendono un componente robusto e generico per applicazioni a media velocità.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Cosa significa il codice bin (A, B, C, ecc.) per il mio design?

R: Il codice bin indica l'intervallo garantito di corrente di collettore che il dispositivo produrrà in condizioni di test standard. Scegli un bin che fornisca una corrente di segnale sufficiente per il tuo circuito a valle (ad es., comparatore, ADC del microcontrollore) considerando il consumo energetico. I bin più alti (E, F) forniscono più corrente ma possono avere una corrente al buio leggermente più elevata.

D: Posso usare questo sensore alla luce del sole?

R: La luce solare diretta contiene una quantità significativa di radiazione infrarossa che saturerà il sensore e lo renderà inutilizzabile per rilevare una sorgente IR separata. Per uso esterno, il filtraggio ottico (un filtro passa-IR che blocca la luce visibile) e/o sorgenti luminose modulate con rilevamento sincrono sono obbligatori.

D: Perché i tempi di salita/discesa dipendono dalla resistenza di carico?

R: La velocità del fototransistor è limitata dalla costante di tempo RC formata dalla sua capacità di giunzione e dalla resistenza di carico (R_L). Un R_Lpiù grande crea una costante di tempo maggiore, rallentando l'escursione di tensione al collettore, aumentando quindi i tempi di salita e discesa. Per una risposta più veloce, usa un R_Lpiù piccolo, ma questo ridurrà anche l'escursione di tensione di uscita.

D: Come interpreto il diagramma di sensibilità?

R: Il diagramma mostra la risposta relativa del sensore alla luce proveniente da angoli diversi. Un valore di 1,0 (o 100%) è tipicamente a 0° (dritto sulla lente). La curva mostra quanto diminuisce il segnale se la sorgente luminosa è disallineata. Usalo per progettare l'alloggiamento meccanico e le caratteristiche di allineamento nel tuo prodotto.

10. Esempio Pratico di Progettazione

Scenario: Progettazione di un Sensore di Presenza Carta per una Stampante.Un LED infrarosso è posizionato su un lato del percorso della carta e il LTR-306 è posizionato direttamente di fronte, creando un fascio. Quando non c'è carta, la luce IR colpisce il fototransistor, accendendolo e portando la sua tensione di collettore a livello basso. Quando la carta passa, interrompe il fascio, il fototransistor si spegne e la sua tensione di collettore va a livello alto (tramite una resistenza di pull-up). Questa transizione di tensione è rilevata da un microcontrollore.

Passi di Progettazione:

1. Selezionare un bin appropriato (ad es., Bin C) per garantire un cambiamento di corrente sufficientemente forte da pilotare in modo affidabile la tensione sulla resistenza di pull-up scelta nell'intervallo di temperatura operativa previsto.

2. Scegliere una resistenza di carico/pull-up (R_L). Una resistenza da 4,7kΩ con un'alimentazione a 5V fornirebbe una buona escursione di tensione. Fare riferimento alla Fig. 3 per assicurarsi che il tempo di risposta risultante di ~100μs sia abbastanza veloce per la velocità della carta.

3. Progettare meccanicamente il supporto in modo che il LED e il LTR-306 siano allineati secondo l'asse a 0° nel diagramma di sensibilità (Fig. 5). Il package laterale semplifica questo aspetto poiché entrambi i componenti possono essere montati piatti sul PCB uno di fronte all'altro.

4. Implementare il driver del LED IR con modulazione (ad es., un'onda quadra a 1kHz) per rendere il sensore immune alla luce IR ambiente costante. Il microcontrollore leggerebbe quindi il segnale del sensore in modo sincrono con questa modulazione.

11. Principio di Funzionamento

Un fototransistor è un transistor a giunzione bipolare in cui la regione di base è esposta alla luce. Nel LTR-306 (tipo NPN), i fotoni incidenti con energia sufficiente (luce infrarossa a ~940nm) vengono assorbiti nella giunzione base-collettore, generando coppie elettrone-lacuna. Questi portatori fotogenerati sono separati dal campo elettrico nella giunzione base-collettore polarizzata inversamente. La fotocorrente risultante agisce come una corrente di base per il transistor. A causa del guadagno di corrente del transistor (beta/h_FE), questa piccola fotocorrente viene amplificata, producendo una corrente di collettore molto più grande. Questa amplificazione interna è la differenza chiave rispetto a un fotodiodo. La corrente di collettore è principalmente proporzionale all'intensità della luce incidente e al guadagno del dispositivo.

12. Tendenze Tecnologiche

Fototransistor come il LTR-306 rappresentano una tecnologia matura ed economica per il semplice rilevamento della luce. Le tendenze attuali nell'optoelettronica includono l'integrazione di fototransistor con circuiti di amplificazione e condizionamento del segnale on-chip per creare sensori con uscita digitale o sensori analogici con linearità e compensazione termica migliorate. C'è anche una tendenza verso la miniaturizzazione e package a montaggio superficiale con impronte ancora più piccole. Per applicazioni più veloci e precise, i fotodiodi con amplificatori di transimpedenza esterni o circuiti integrati ottici dedicati sono spesso preferiti. Tuttavia, per compiti di rilevamento di base, a basso costo e a media velocità, i fototransistor discreti rimangono altamente rilevanti grazie alla loro semplicità, robustezza e basso numero di componenti.