Ficha Técnica do Fototransistor LTR-5576D - Pacote 3.0x2.8x1.9mm - Vce 30V - Potência 100mW - Filtro Verde Escuro - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-5576D é um fototransistor de silício NPN projetado para aplicações de detecção de infravermelho. A sua função principal é converter a luz infravermelha incidente numa corrente elétrica no seu terminal de coletor. Uma característica distintiva fundamental deste componente é o seu invólucro plástico especial de cor verde escuro. Este material de encapsulamento é especificamente escolhido para atenuar ou bloquear os comprimentos de onda da luz visível, aumentando assim a sensibilidade e a seletividade do dispositivo à radiação infravermelha. Isto torna-o particularmente adequado para aplicações onde a discriminação entre a luz visível ambiente e o sinal de infravermelho pretendido é crucial.

As principais vantagens do LTR-5576D incluem uma ampla gama de operação para a corrente de coletor, o que proporciona flexibilidade de projeto. Oferece alta sensibilidade à luz infravermelha, garantindo detecção confiável mesmo em níveis mais baixos de irradiância. Além disso, apresenta tempos de comutação rápidos, caracterizados por tempos de subida e descida na ordem dos microssegundos, permitindo a sua utilização em aplicações que requerem resposta rápida, como ligações de comunicação de dados, detecção de objetos e medição de velocidade.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. São especificados a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C.

• Dissipação de Potência (P_D):100 mW. Esta é a potência máxima que o dispositivo pode dissipar na forma de calor. Exceder este limite acarreta o risco de fuga térmica e falha.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor com a base aberta (flutuante).
• Tensão Emissor-Coletor (V_ECO):5 V. A tensão reversa máxima aplicável entre o emissor e o coletor.
• Faixa de Temperatura de Operação:-40°C a +85°C. A faixa de temperatura ambiente na qual o funcionamento do dispositivo de acordo com as suas especificações elétricas é garantido.
• Faixa de Temperatura de Armazenamento:-55°C a +100°C. A faixa de temperatura para armazenamento não operacional sem degradação.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C durante 5 segundos, medido a 1,6mm do corpo do encapsulamento. Isto define as restrições do perfil de soldagem por refluxo.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo em condições de teste específicas a T_A=25°C.

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor, V_(BR)CEO:30 V (Mín.). Medido a I_C= 1mA com irradiância zero (E_e= 0 mW/cm²).
• Tensão de Ruptura Emissor-Coletor, V_(BR)ECO:5 V (Mín.). Medido a I_E= 100μA com irradiância zero.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor, V_CE(SAT):0,4 V (Máx.). A queda de tensão no dispositivo quando este está totalmente "ligado" (em condução), testado a I_C= 50μA e E_e= 0,5 mW/cm². Um V_CE(SAT)baixo é desejável para uma comutação eficiente.
• Tempos de Comutação:
  • Tempo de Subida (T_r):15 μs (Típ.). O tempo para a corrente de saída subir de 10% para 90% do seu valor final.
  • Tempo de Descida (T_f):18 μs (Típ.). O tempo para a corrente de saída descer de 90% para 10% do seu valor inicial. Testado a V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ.
• Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO):100 nA (Máx.). A corrente de fuga que flui através do coletor quando nenhuma luz incide (E_e= 0 mW/cm²) e V_CE= 10V. Uma corrente de escuro baixa é crítica para uma boa relação sinal-ruído na detecção em baixa luminosidade.
• Razão de Corrente de Coletor em Estado Ligado (R):Definida como I_L1/I_L2, com um valor típico de 1,0 e mínimo/máximo de 0,8/1,25. Este parâmetro está relacionado com a consistência da saída de corrente em condições de teste específicas.

3. Explicação do Sistema de Binning

O LTR-5576D emprega um sistema de binning baseado na corrente média de coletor em estado ligado (I_C(ON)). Esta corrente é medida em condições padronizadas: V_CE= 5V e uma irradiância (E_e) de 1 mW/cm². Os dispositivos são classificados em diferentes bins (de A a F) de acordo com a sua faixa de I_C(ON)medida. Cada bin está associado a uma marcação de cor específica para fácil identificação.

São fornecidos dois conjuntos de limites: as faixas mais restritas deConfiguração de Produçãoutilizadas durante a triagem na fabricação, e os limites mais amplos deLimites de Controlo de Qualidade (Q.C.)utilizados para o teste final de aceitação.

Este binning permite aos projetistas selecionar dispositivos com sensibilidade consistente para os requisitos específicos do seu circuito, garantindo um desempenho previsível na produção em volume.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram o comportamento do dispositivo em condições variáveis.

4.1 Corrente de Escuridão do Coletor vs. Temperatura Ambiente (Fig. 1)

Esta curva mostra que a corrente de escuro do coletor (I_CEO) aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura ambiente. A 25°C, está na ordem dos nanoamperes, mas pode aumentar significativamente no limite superior da faixa de temperatura de operação (+85°C). Esta característica é crucial para projetar circuitos que devem manter a estabilidade numa ampla faixa de temperaturas, uma vez que o aumento da corrente de escuro atua como um desvio ou fonte de ruído.

4.2 Derating de Potência do Coletor vs. Temperatura Ambiente (Fig. 2)

Este gráfico representa a redução da dissipação de potência máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta. A 25°C, o dispositivo pode dissipar os 100 mW completos. À medida que a temperatura sobe, esta potência máxima deve ser reduzida linearmente para evitar exceder o limite de temperatura da junção. Esta curva é essencial para a gestão térmica e para garantir a operação confiável em ambientes de temperatura elevada.

4.3 Tempo de Subida e Descida vs. Resistência de Carga (Fig. 3)

Este gráfico demonstra a relação entre a velocidade de comutação (T_r, T_f) e a resistência de carga (R_L) conectada ao coletor. Os tempos de comutação diminuem à medida que a resistência de carga diminui. Isto acontece porque um R_Lmenor permite uma carga e descarga mais rápidas da capacitância da junção do fototransistor e de quaisquer capacitâncias parasitas no circuito. Os projetistas podem usar esta curva para otimizar R_Lpara um equilíbrio desejado entre velocidade de comutação e amplitude do sinal de saída.

4.4 Corrente Relativa do Coletor vs. Irradiância (Fig. 4)

Esta curva mostra a função de transferência do fototransistor: a relação entre a irradiância infravermelha incidente (E_e, em mW/cm²) e a corrente de coletor resultante (I_C). A curva é tipicamente linear numa determinada faixa. Esta linearidade é importante para aplicações de sensoriamento analógico onde a corrente de saída deve ser diretamente proporcional à intensidade da luz. O gráfico é obtido a V_CE= 5V.

5. Informações Mecânicas e do Pacote

5.1 Dimensões do Pacote

O LTR-5576D vem num pacote padrão de 3 pinos de visão lateral. As dimensões principais (em milímetros) são as seguintes, com uma tolerância geral de ±0,15mm salvo indicação em contrário:

• Corpo do Pacote: Aproximadamente 3,0mm de comprimento, 2,8mm de altura e 1,9mm de profundidade (excluindo os terminais).
• Espaçamento dos Terminais: A distância entre os centros dos terminais é um valor padrão, medido onde eles emergem do corpo do encapsulamento.
• Resina Projetada: Um máximo de 1,5mm de resina pode projetar-se sob o flange.

O material plástico verde escuro do pacote é integral à sua função, filtrando a luz visível.

5.2 Identificação da Polaridade

O dispositivo possui três terminais: Emissor, Coletor e Base (muitas vezes deixada desconectada ou usada para um resistor de polarização em algumas configurações). A pinagem é padrão para este tipo de pacote, mas os projetistas devem sempre consultar o desenho detalhado do pacote na ficha técnica para a orientação correta. Uma ligação incorreta pode danificar o dispositivo.

6. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O manuseio e montagem de fototransistores requerem cuidado para evitar danos por descarga eletrostática (ESD) e calor excessivo.

• Precauções contra ESD:O dispositivo é sensível à ESD. Devem ser seguidas as devidas procedimentos de manuseio seguros contra ESD, incluindo o uso de pulseiras aterradas e superfícies de trabalho condutivas.
• Soldagem por Refluxo:O valor máximo absoluto para soldagem dos terminais é de 260°C durante 5 segundos, medido a 1,6mm do corpo do pacote. Isto corresponde a um perfil de refluxo padrão sem chumbo. O perfil deve ser cuidadosamente controlado para evitar choque térmico ou exceder este limite.
• Soldagem por Onda:Se utilizada, a soldagem por onda deve ser realizada com pré-aquecimento adequado para minimizar o stress térmico no pacote plástico.
• Limpeza:Utilize solventes de limpeza compatíveis com o material plástico verde escuro para evitar descoloração ou degradação.
• Armazenamento:Armazene num ambiente seco e protegido contra ESD, dentro da faixa de temperatura especificada de -55°C a +100°C.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Detecção de Objetos e Sensoriamento de Proximidade:Utilizado em dispositivos como torneiras automáticas, secadores de mãos, dispensadores de toalhas de papel e sistemas de segurança para detectar a presença ou ausência de um objeto refletindo um feixe de infravermelhos.
• Automação Industrial:Para contagem de objetos numa esteira transportadora, detecção da posição de peças de máquinas ou em codificadores ópticos para feedback de velocidade e posição.
• Eletrónica de Consumo:Em recetores de controlo remoto (embora frequentemente emparelhados com um CI dedicado), sensores de luz ambiente para controlo de brilho do visor e sensores de fenda em impressoras ou unidades de disco.
• Ligações de Dados Básicas:Para transmissão de dados por infravermelhos simples e de curto alcance (por exemplo, sistemas compatíveis com IrDA a velocidades mais baixas).

7.2 Considerações de Projeto

• Circuito de Polarização:O fototransistor pode ser usado em duas configurações comuns: como um interruptor simples (com um resistor de pull-up) ou em modo linear para sensoriamento analógico. O valor do resistor de carga (R_L) é crítico e afeta o ganho, a largura de banda (velocidade de comutação) e a excursão da tensão de saída.
• Rejeição de Luz Ambiente:O pacote verde escuro proporciona uma rejeição significativa da luz visível, mas não é perfeito. Para ambientes com alta luminosidade ambiente, podem ser necessárias filtragem óptica adicional, sinais de IR modulados ou técnicas de detecção síncrona para melhorar a integridade do sinal.
• Compensação de Temperatura:Como mostrado nas curvas, a corrente de escuro aumenta com a temperatura. Para sensoriamento analógico de precisão, os circuitos podem precisar de compensação de temperatura ou do uso do dispositivo numa configuração diferencial para cancelar o desvio dependente da temperatura.
• Design da Lente e do Alojamento:O campo de visão do sensor é determinado pelo seu pacote. Lentes ou aberturas externas podem ser usadas para focar ou restringir a área de sensoriamento conforme necessário para a aplicação.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O principal diferenciador do LTR-5576D é o seupacote plástico verde escuro. Comparado com pacotes padrão transparentes ou incolores, isto oferece uma filtragem inerente da luz visível, simplificando o projeto óptico em ambientes com luz visível ambiente flutuante. Os seustempos de comutação rápidos(na faixa de 15-18 μs) tornam-no adequado para aplicações que requerem resposta mais rápida do que os fototransistores típicos, que podem ter tempos de comutação na ordem das dezenas a centenas de microssegundos. Osistema de binning abrangente(Bins A-F) fornece aos projetistas uma faixa de sensibilidade garantida, permitindo um desempenho mais consistente na produção em volume em comparação com peças não classificadas com dispersões de parâmetros mais amplas.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é o propósito do pacote verde escuro?
R: O plástico verde escuro atua como um filtro óptico integrado. Ele atenua a maior parte do espectro de luz visível enquanto permite que os comprimentos de onda infravermelhos passem para o chip de silício. Isto reduz significativamente a resposta do sensor à luz ambiente da sala, luz solar ou outras fontes visíveis, fazendo com que responda principalmente ao sinal de infravermelho pretendido.

P: Como escolho o resistor de carga correto (R_L)?
R: A escolha envolve um compromisso. Um R_Lmaior proporciona uma maior excursão da tensão de saída para uma determinada fotocorrente (ganho mais alto), mas resulta em velocidades de comutação mais lentas (ver Fig. 3). Um R_Lmenor oferece resposta mais rápida, mas ganho mais baixo. Selecione R_Lcom base na sua prioridade ser sensibilidade (sensoriamento analógico) ou velocidade (comutação digital).

P: O que significa o binning (A-F) para o meu projeto?
R: O binning garante consistência de sensibilidade. Se o seu circuito foi projetado para um limiar de corrente específico, usar dispositivos do mesmo bin garante que todos eles irão ativar aproximadamente ao mesmo nível de luz. Misturar bins pode fazer com que algumas unidades sejam mais ou menos sensíveis do que outras. Selecione um bin cuja faixa de I_C(ON)se ajuste ao ponto de operação do seu circuito.

P: Posso usar este sensor sob luz solar direta?
R: Embora o pacote verde escuro ajude, a luz solar direta contém uma quantidade massiva de radiação infravermelha que pode saturar o sensor. Para aplicações ao ar livre ou com alto IR ambiente, são necessárias medidas adicionais, como filtros ópticos de banda passante sintonizados para o comprimento de onda específico da sua fonte de IR, blindagem física ou o uso de uma fonte de IR modulada com detecção síncrona.

10. Estudo de Caso de Projeto Prático

Cenário: Projetar um Sensor para Dispensador de Toalhas de Papel.
O objetivo é detectar uma mão colocada sob o dispensador e ativar o motor. Um emissor de LED IR é colocado em frente ao detector LTR-5576D. Normalmente, o feixe de IR atinge o detector, gerando uma corrente. Quando uma mão interrompe o feixe, a corrente cai.

Passos do Projeto:
1. Configuração do Circuito:Use o fototransistor numa configuração de interruptor de emissor comum. Ligue o coletor a uma tensão de alimentação (por exemplo, 5V) através de um resistor de carga R_L. O emissor é ligado ao terra. A tensão de saída é obtida no nó do coletor.
2. Escolha de R_L:Como a velocidade não é crítica (o movimento da mão é lento), priorize uma boa excursão do sinal. Da Fig. 4, a uma irradiância razoável, I_Cpode ser ~500μA (Bin C). Escolhendo R_L= 10kΩ dá uma excursão de tensão de ΔV = I_C* R_L≈ 5V, o que é excelente para excitar uma entrada lógica.
3. Seleção de Binning:Escolha um bin (por exemplo, Bin C ou D) que forneça corrente suficiente com a saída do LED IR escolhido à distância de sensoriamento necessária. Isto garante um acionamento confiável.
4. Imunidade à Luz Ambiente:O pacote verde escuro do LTR-5576D rejeita automaticamente a maioria das variações na iluminação da sala, tornando o sistema robusto sem filtragem complexa.
5. Condicionamento da Saída:A tensão do coletor (alta quando o feixe está presente, baixa quando interrompido) pode ser enviada diretamente para um comparador ou para um pino GPIO de um microcontrolador para processamento.

11. Princípio de Funcionamento

Um fototransistor é fundamentalmente um transistor de junção bipolar (BJT) onde a corrente de base é gerada pela luz em vez de uma ligação elétrica. No LTR-5576D (tipo NPN), os fotões infravermelhos incidentes na junção base-coletor geram pares eletrão-lacuna. Estes portadores fotogerados são varridos pelo campo elétrico através da junção base-coletor polarizada inversamente, criando uma fotocorrente. Esta fotocorrente atua como a corrente de base (I_B) para o transistor. Devido ao ganho de corrente do transistor (β ou h_FE), a corrente de coletor (I_C) é muito maior do que a fotocorrente original (I_C≈ β * I_B). Esta amplificação interna é o que confere a um fototransistor a sua alta sensibilidade em comparação com um simples fotodíodo.

12. Tendências Tecnológicas

O campo do sensoriamento óptico continua a evoluir. As tendências relevantes para componentes como o LTR-5576D incluem:
Integração:Aumento da integração do fotodetector com circuitos de front-end analógico (amplificadores de transimpedância, ADCs) e lógica digital em soluções ou módulos de chip único.
Especificidade de Comprimento de Onda:Desenvolvimento de detectores com curvas de resposta espectral mais acentuadas ou sintonizáveis para aplicações específicas como detecção de gases ou análise biológica.
Miniaturização:Redução contínua do tamanho do pacote para caber em dispositivos de consumo e médicos cada vez menores.
Melhoria do Desempenho:Esforços para reduzir ainda mais a corrente de escuro, aumentar a velocidade e a sensibilidade para aplicações de baixa potência. O princípio fundamental do fototransistor permanece válido, mas a sua implementação e a arquitetura do sistema de suporte continuam a avançar.