Ficha Técnica do Fototransístor PD204-6B/L3 - Pacote 3mm - Sensibilidade de Pico 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD204-6B/L3 é um fotodiodo de silício PIN de alta velocidade e alta sensibilidade, encapsulado em um pacote plástico radial padrão de 3mm. Este dispositivo é espectralmente compatível com diodos emissores de luz visível e infravermelha, com sua sensibilidade de pico otimizada para o comprimento de onda de 940nm, tornando-o adequado para uma variedade de aplicações de sensoriamento que exigem resposta rápida e desempenho confiável.

As principais vantagens deste componente incluem seu tempo de resposta rápido, alta fotossensibilidade e baixa capacitância de junção, que contribuem para uma detecção de sinal eficiente. O produto está em conformidade com as regulamentações RoHS e REACH da UE e é fabricado como um dispositivo sem chumbo (Pb-free).

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

O dispositivo foi projetado para operar de forma confiável dentro de limites ambientais e elétricos especificados. Exceder esses valores pode causar danos permanentes.

• Tensão Reversa (VR):32 V - A tensão máxima que pode ser aplicada em polarização reversa nos terminais do fotodiodo.
• Temperatura de Operação (Topr):-25°C a +85°C - A faixa de temperatura ambiente para operação normal do dispositivo.
• Temperatura de Armazenamento (Tstg):-40°C a +100°C - A faixa de temperatura para armazenamento seguro quando o dispositivo não está energizado.
• Temperatura de Soldagem (Tsol):260°C por uma duração máxima de 5 segundos, conforme perfis padrão de soldagem por refluxo.
• Dissipação de Potência (Pc):150 mW a ou abaixo de 25°C de temperatura ambiente livre.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros definem o desempenho central do fototransístor sob condições de teste padrão (Ta=25°C).

• Largura de Banda Espectral (λ0.5):760 nm a 1100 nm. Isso define a faixa de comprimentos de onda onde o dispositivo mantém pelo menos metade de sua sensibilidade de pico.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λP):940 nm (Típico). O dispositivo é mais responsivo à luz neste comprimento de onda infravermelho.
• Tensão de Circuito Aberto (VOC):0,42 V (Típico) sob uma irradiância (Ee) de 1 mW/cm² a 940nm.
• Corrente de Curto-Circuito (ISC):4,3 μA (Típico) sob a mesma condição de teste (Ee=1mW/cm², λp=940nm).
• Corrente de Luz Reversa (IL):3,9 μA (Mín), 6 μA (Típ) a VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm. Esta é a corrente fotoelétrica gerada quando o diodo está polarizado reversamente e iluminado.
• Corrente de Escuro Reversa (ID):10 nA (Máx) a VR=10V em completa escuridão (Ee=0mW/cm²). Esta é a pequena corrente de fuga que flui mesmo quando não há luz presente.
• Tensão de Ruptura Reversa (VBR):32 V (Mín) medida a uma corrente reversa (IR) de 100μA no escuro.
• Capacitância Total (Ct):10 pF (Típ) a VR=5V e uma frequência de 1MHz. Uma capacitância mais baixa permite velocidades de comutação mais rápidas.
• Tempo de Subida/Descida (tr/tf):10 ns / 10 ns (Típ) com VR=10V e uma resistência de carga (RL) de 100Ω, indicando uma resposta muito rápida adequada para detecção de luz pulsada.
• Ângulo de Visão (2θ1/2):45° (Típico). Isso define o campo de visão angular sobre o qual o dispositivo mantém sensibilidade.

As tolerâncias são especificadas como ±10% para intensidade luminosa, ±1nm para comprimento de onda dominante e ±0,1V para tensão direta em aplicações relacionadas.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram o comportamento do dispositivo sob condições variáveis. Estas são essenciais para que os engenheiros de projeto prevejam o desempenho em cenários do mundo real.

3.1 Dissipação de Potência vs. Temperatura Ambiente

Esta curva mostra a dissipação de potência máxima permitida diminuindo à medida que a temperatura ambiente aumenta acima de 25°C. Os projetistas devem reduzir a capacidade de manuseio de potência de acordo para garantir confiabilidade a longo prazo.

3.2 Sensibilidade Espectral

A curva de resposta espectral confirma a sensibilidade de pico do dispositivo a 940nm e sua faixa útil de aproximadamente 760nm a 1100nm. Destaca a adequação do dispositivo para aplicações que usam LEDs infravermelhos comuns.

3.3 Corrente de Escuro Reversa vs. Temperatura Ambiente

A corrente de escuro aumenta exponencialmente com a temperatura. Esta curva é crítica para aplicações que operam em temperaturas elevadas, pois uma corrente de escuro mais alta contribui para o ruído e pode afetar a relação sinal-ruído em condições de pouca luz.

3.4 Corrente de Luz Reversa vs. Irradiância (Ee)

Este gráfico demonstra a relação linear entre a corrente fotoelétrica gerada (IL) e a intensidade da luz incidente (irradiância) em uma faixa especificada. Confirma a resposta fotométrica previsível e linear do dispositivo.

3.5 Capacitância Terminal vs. Tensão Reversa

A capacitância de junção (Ct) diminui com o aumento da tensão de polarização reversa. Uma capacitância mais baixa é desejável para aplicações de alta velocidade, e esta curva ajuda a selecionar um ponto de polarização de operação ideal.

3.6 Tempo de Resposta vs. Resistência de Carga

Esta curva mostra como os tempos de subida e descida (tr/tf) são afetados pelo valor do resistor de carga externo (RL). Uma resposta mais rápida é alcançada com resistências de carga menores, mas isso é compensado pela amplitude do sinal.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões da Embalagem

O dispositivo utiliza um pacote radial com terminais padrão de 3mm. O desenho dimensional especifica o diâmetro do corpo, o espaçamento dos terminais e as dimensões dos terminais. Todas as tolerâncias não especificadas são de ±0,25mm. A cor da lente é preta.

4.2 Identificação da Polaridade

O cátodo (terminal negativo) é tipicamente indicado por um ponto plano no corpo do pacote ou por um terminal mais longo. A polaridade correta deve ser observada durante a montagem do circuito para uma operação adequada em polarização reversa.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O componente é adequado para processos padrão de montagem de PCB.

• Soldagem por Refluxo:A temperatura máxima de soldagem é de 260°C, e o tempo a ou acima desta temperatura não deve exceder 5 segundos para evitar danos térmicos ao pacote plástico e ao chip semicondutor.
• Soldagem Manual:Se a soldagem manual for necessária, deve-se usar um ferro de soldar com controle de temperatura com tempo de contato mínimo (tipicamente menos de 3 segundos por terminal).
• Limpeza:Use agentes de limpeza compatíveis com o material do pacote plástico.
• Armazenamento:Armazene em um ambiente seco e antiestático dentro da faixa de temperatura de armazenamento especificada de -40°C a +100°C.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Especificação da Quantidade por Embalagem

A embalagem padrão é a seguinte: 200-1000 peças por saco, 4 sacos por caixa e 10 caixas por cartão. Isso fornece flexibilidade tanto para prototipagem quanto para produção em volume.

6.2 Especificação do Formulário de Etiqueta

A etiqueta do produto contém informações-chave para rastreabilidade e identificação:

• CPN:Número do Produto do Cliente
• P/N:Número do Produto (ex.: PD204-6B/L3)
• QTY:Quantidade por Embalagem
• CAT, HUE, REF:Classificações para Intensidade Luminosa, Comprimento de Onda Dominante e Tensão Direta (se classificados).
• LOT No:Número do Lote de Fabricação para rastreabilidade.
• X:Mês de produção.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

O PD204-6B/L3 é bem adequado para várias aplicações de sensoriamento optoeletrônico, incluindo:

• Sensores de Porta Automática:Detectando a interrupção de um feixe de infravermelho para acionar mecanismos de abertura/fechamento de portas.
• Copiadoras e Impressoras:Usado para detecção de papel, sensoriamento de borda ou monitoramento do nível de toner.
• Máquinas de Jogo/Sistemas de Arcade:Para detecção de objetos, controles interativos ou sensoriamento de posição.
• Sensoriamento Infravermelho de Uso Geral:Receptores de controle remoto, sensores de proximidade e automação industrial onde é necessária detecção rápida e confiável de luz IR de 940nm.

7.2 Considerações de Projeto

• Circuito de Polarização:Opere o fotodiodo em polarização reversa (modo fotocondutivo) para obter velocidade e linearidade ideais. Uma tensão reversa de 5V a 10V é típica, conforme mostrado nas especificações.
• Resistor de Carga (RL):Escolha RL com base no compromisso necessário entre velocidade de resposta (largura de banda) e amplitude da tensão de saída. Um circuito de amplificador de transimpedância (TIA) é recomendado para converter a pequena corrente fotoelétrica em uma tensão utilizável, mantendo alta velocidade e baixo ruído.
• Considerações Ópticas:Garanta o alinhamento adequado com a fonte de luz (tipicamente um LED IR a 940nm). O ângulo de visão de 45° deve ser considerado para o campo de visão. Usar um filtro óptico pode ajudar a bloquear a luz ambiente indesejada, especialmente a luz visível.
• Redução de Ruído:Para aplicações sensíveis, proteja o dispositivo e seu circuito contra ruído elétrico. Mantenha os traços curtos, use capacitores de desacoplamento e considere o impacto da corrente de escuro em altas temperaturas de operação.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a fotodiodos padrão ou fototransístores com tempos de resposta mais lentos, o PD204-6B/L3 oferece vantagens distintas:

• Alta Velocidade:Com tempos de subida/descida de 10ns, é significativamente mais rápido que muitos fototransístores de uso geral, permitindo a detecção de sinais rapidamente modulados.
• Estrutura PIN:A construção do fotodiodo PIN fornece uma região de depleção mais ampla do que um fotodiodo PN padrão, resultando em menor capacitância de junção (10pF) e maior velocidade.
• Espectro Otimizado:A sensibilidade de pico de 940nm é precisamente compatível com a saída de LEDs infravermelhos comuns e de baixo custo, maximizando a eficiência do sistema.
• Pacote Padrão:O pacote radial de 3mm é um fator de forma comum na indústria, facilitando a integração em projetos existentes e sendo compatível com as pegadas padrão de PCB.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas nos Parâmetros Técnicos)

9.1 Qual é a diferença entre operar no modo fotovoltaico (polarização zero) e fotocondutivo (polarização reversa)?

No modo fotovoltaico (V_R=0V), o fotodiodo gera uma tensão (V_OC). Este modo tem corrente de escuro zero, mas resposta mais lenta e menor linearidade. As especificações do PD204-6B/L3 listam VOC=0,42V. No modo fotocondutivo (com polarização reversa, ex.: V_R=5V), uma tensão externa é aplicada. Isso reduz a capacitância de junção (permitindo resposta mais rápida, como visto nos 10ns tr/tf), melhora a linearidade e permite uma região ativa maior, mas introduz corrente de escuro (I_D). Para aplicações de alta velocidade como as destinadas a este dispositivo, o modo fotocondutivo é recomendado.

9.2 Como converter a corrente fotoelétrica (I_L) em uma tensão mensurável?

O método mais simples é usar um resistor de carga (R_L) em série. A tensão de saída é V_out = I_L * R_L. No entanto, à medida que R_L aumenta, a constante de tempo RC (com a capacitância do diodo) aumenta, retardando a resposta (como mostrado na curva Tempo de Resposta vs. Resistência de Carga). Para um desempenho ideal, especialmente com correntes pequenas e necessidade de velocidade, um amplificador de transimpedância (TIA) é o circuito preferido. Ele fornece uma tensão de saída estável e de baixa impedância (V_out = -I_L * R_f) enquanto mantém o fotodiodo em terra virtual, minimizando os efeitos da capacitância.

9.3 Por que a corrente de escuro é importante e como a temperatura a afeta?

A corrente de escuro (I_D) é a corrente de ruído que flui quando não há luz presente. Ela define o limite inferior da luz detectável. A ficha técnica especifica um máximo de 10nA a 25°C. Esta corrente dobra aproximadamente a cada 10°C de aumento na temperatura. Portanto, em ambientes de alta temperatura ou para detecção de luz muito baixa, a corrente de escuro pode se tornar uma fonte significativa de ruído e deve ser considerada no projeto do circuito (ex.: através de técnicas de compensação de temperatura ou detecção síncrona).

9.4 Este sensor pode ser usado com fontes de luz diferentes de 940nm?

Sim, mas com sensibilidade reduzida. A curva de resposta espectral mostra sensibilidade significativa de 760nm a 1100nm. Por exemplo, ele responderá a LEDs de 850nm, mas a corrente fotoelétrica gerada para a mesma intensidade de luz será menor do que com uma fonte de 940nm. Sempre consulte a curva de sensibilidade espectral relativa (se fornecida na íntegra) ou calcule a responsividade no comprimento de onda desejado para um projeto preciso.

10. Estudo de Caso Prático de Projeto

Caso de Projeto: Sensor de Interrupção de Feixe Infravermelho para Portão de Segurança.

Objetivo:Criar um sensor confiável e rápido para detectar quando um objeto interrompe um feixe de infravermelho invisível, acionando um alarme de segurança.

Implementação:

1. Transmissor:Um LED infravermelho de 940nm é acionado por uma corrente pulsada (ex.: pulsos de 20mA a 38kHz) para fornecer imunidade contra luz ambiente e reduzir o consumo médio de energia.
2. Receptor:O PD204-6B/L3 é colocado oposto ao transmissor, alinhado dentro de seu ângulo de visão de 45°. Ele é polarizado reversamente a 5V através de um resistor de carga.
3. Condicionamento de Sinal:O pequeno sinal de corrente fotoelétrica CA do fotodiodo (sobreposto à corrente de escuro CC) é alimentado em um amplificador de alto ganho e passa-banda sintonizado em 38kHz. Isso filtra a luz ambiente CC e o ruído de baixa frequência.
4. Detecção:O sinal amplificado é então retificado e comparado a um limiar. Quando o feixe está intacto, um forte sinal de 38kHz está presente e a saída do comparador é alta. Quando um objeto interrompe o feixe, o sinal desaparece, fazendo com que o comparador mude para baixo e ative o alarme.

Por que o PD204-6B/L3 é Adequado:Seu tempo de resposta rápido de 10ns lida facilmente com o sinal modulado de 38kHz. A alta sensibilidade a 940nm garante uma boa relação sinal-ruído do LED IR compatível. A baixa capacitância permite um circuito responsivo mesmo com os componentes de filtragem necessários.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotodiodo PIN como o PD204-6B/L3 opera com base no princípio do efeito fotoelétrico interno. A estrutura do dispositivo consiste em uma região intrínseca (I) de semicondutor levemente dopada e larga, intercalada entre regiões do tipo P e tipo N. Quando fótons com energia maior que a banda proibida do semicondutor (ex.: luz infravermelha a 940nm para o silício) atingem a região intrínseca, eles geram pares elétron-lacuna. Quando o diodo está polarizado reversamente, o campo elétrico interno através da região de depleção (que se estende pela camada intrínseca) varre esses portadores de carga em direção aos respectivos terminais, gerando uma corrente fotoelétrica (I_L) que é proporcional à intensidade da luz incidente. A região intrínseca larga reduz a capacitância e permite a coleta eficiente de portadores gerados em um volume maior, contribuindo tanto para a velocidade quanto para a sensibilidade.

12. Tendências e Contexto da Indústria

Fotodetectores como o PD204-6B/L3 são componentes fundamentais no campo crescente da optoeletrônica e sensoriamento. As tendências atuais que impulsionam a demanda por tais dispositivos incluem:

• Automação e Indústria 4.0:Uso crescente de sensores sem contato para posição, presença e controle de qualidade na manufatura.
• Eletrônicos de Consumo:Integração em dispositivos para sensoriamento de proximidade (ex.: desligar telas de smartphones durante chamadas), sensoriamento de luz ambiente para controle de brilho de tela e reconhecimento de gestos.
• Internet das Coisas (IoT):Sensores de baixa potência e confiáveis para dispositivos de casa inteligente, sistemas de segurança e monitoramento ambiental.
• Avanços:A tendência geral é em direção a maior integração (ex.: fotodiodos com amplificadores no chip), embalagens menores (dispositivos de montagem em superfície), menor consumo de energia e desempenho aprimorado em comprimentos de onda específicos para aplicações como LiDAR, sensoriamento biomédico e comunicações ópticas. Dispositivos como o PD204-6B/L3 representam uma solução madura, confiável e econômica para as necessidades principais de sensoriamento infravermelho.

13. Isenção de Responsabilidade e Notas de Uso

Diretrizes críticas de uso derivadas da isenção de responsabilidade da ficha técnica incluem:

1. As especificações estão sujeitas a alterações. Sempre consulte a ficha técnica oficial mais recente para o projeto.
2. O produto atende às suas especificações publicadas por 12 meses a partir da data de remessa sob condições normais de armazenamento.
3. As curvas características mostram desempenho típico, não valores mínimos ou máximos garantidos. Projete com margens apropriadas.
4. Aderir estritamente aos Valores Máximos Absolutos. A operação além desses limites pode causar falha imediata ou latente. O fabricante não assume responsabilidade por danos resultantes de uso indevido.
5. As informações são proprietárias. A reprodução sem permissão é proibida.
6. Este componentenãofoi projetado ou qualificado para aplicações críticas de segurança, como suporte à vida médica, controle automotivo, aviação ou sistemas militares. Para tais aplicações, entre em contato com o fabricante para produtos especialmente qualificados.