Folha de Dados do Fototransístor LTR-S320-DB-L - Pacote EIA - Sensibilidade de Pico 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-S320-DB-L é um fototransístor de silício NPN de alto desempenho, projetado para aplicações de sensoriamento infravermelho. Este componente é otimizado para detectar luz no espectro do infravermelho próximo, com sensibilidade de pico especificamente em 940nm, tornando-o adequado para uma ampla gama de sistemas de controle remoto, detecção de objetos e tarefas de automação industrial. Sua função principal é converter a luz infravermelha incidente em uma corrente elétrica correspondente.

O dispositivo é encapsulado em um pacote padrão compatível com a norma EIA, com uma lente de resina preta de corte de luz diurna. Esta lente filtra efetivamente a luz ambiente visível, reduzindo significativamente o ruído e acionamentos falsos, melhorando assim a relação sinal-ruído na presença de iluminação de fundo. O pacote é projetado para compatibilidade com processos de montagem automatizada de alto volume, incluindo alimentação por fita e bobina e soldagem por refluxo infravermelho, alinhando-se com os requisitos da manufatura moderna.

Como um "Produto Verde" compatível com RoHS e sem chumbo (Pb-free), ele atende aos padrões ambientais contemporâneos. A combinação de sua resposta espectral, design do pacote e compatibilidade de fabricação o posiciona como uma solução confiável e versátil para circuitos de detecção infravermelha que exigem bom custo-benefício e alto desempenho.

2. Parâmetros Técnicos: Interpretação Objetiva Detalhada

Todas as características elétricas e ópticas são especificadas a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C, fornecendo uma linha de base padronizada para avaliação de desempenho.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. A operação sob ou nestes limites não é garantida e deve ser evitada no projeto do circuito.

• Dissipação de Potência (P_D):150 mW. Esta é a potência máxima permitida que o dispositivo pode dissipar na forma de calor. Exceder este limite corre o risco de "thermal runaway" (fuga térmica) e falha.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre os terminais do coletor e do emissor quando a base está aberta (fototransístor na condição de escuridão).
• Faixa de Temperatura de Operação:-40°C a +85°C. A faixa de temperatura ambiente na qual o dispositivo é projetado para funcionar corretamente.
• Faixa de Temperatura de Armazenamento:-55°C a +100°C. A faixa de temperatura para armazenamento não operacional sem degradação.
• Condição de Soldagem por Infravermelho:Temperatura de pico de 260°C por no máximo 10 segundos. Isso define o limite do perfil térmico para processos de soldagem por refluxo sem chumbo.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros definem o desempenho do dispositivo sob condições de teste específicas.

• Tensão de Ruptura Reversa (V_(BR)R):Mínimo 33V, típico 170V em I_R=100µA. Este valor elevado indica uma junção robusta capaz de suportar polarização reversa significativa, o que é benéfico para circuitos com cargas indutivas ou picos de tensão.
• Corrente de Escuro Reversa (I_D):Máximo 10 nA em V_R=10V. Esta é a corrente de fuga quando nenhuma luz incide. Uma baixa corrente de escuro é crítica para alcançar alta sensibilidade e operação de baixo ruído, especialmente em cenários de detecção com pouca luz.
• Tensão de Circuito Aberto (V_OC):Típico 390 mV quando iluminado por luz de 940nm a uma irradiância (E_e) de 0,5 mW/cm². Este parâmetro é relevante quando o dispositivo é usado no modo fotovoltaico (sem polarização externa).
• Corrente de Curto-Circuito (I_SC):Típico 1,8 µA sob as mesmas condições de teste de V_OC(V_R=5V, λ=940nm, E_e=0,5 mW/cm²). Isto representa a fotocorrente gerada quando a saída está em curto-circuito.
• Tempo de Subida (T_r) & Tempo de Descida (T_f):Máximo 30 ns cada (V_R=10V, R_L=1kΩ). Estas especificações de velocidade de comutação são cruciais para aplicações que requerem detecção de pulsos rápidos ou modulação de alta frequência, como em enlaces de comunicação de dados.
• Capacitância Total (C_T):Máximo 1 pF em V_R=5V, f=1MHz. A baixa capacitância de junção é essencial para manter tempos de resposta rápidos, pois limita a constante de tempo RC do circuito.
• Largura de Banda Espectral (λ_0.5):750 nm a 1100 nm. Isto define a faixa de comprimentos de onda onde a responsividade do dispositivo é pelo menos metade do seu valor de pico. Ela cobre a região do infravermelho comum usada por muitos emissores IR (como LEDs de 850nm e 940nm).
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λ_P):940 nm. O dispositivo é espectralmente compatível com LEDs infravermelhos que emitem a 940nm, garantindo máxima eficiência e força do sinal em tais pares.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A folha de dados faz referência a curvas características típicas que fornecem uma visão visual do comportamento do dispositivo sob condições variáveis. Embora os gráficos específicos não sejam reproduzidos no texto, suas implicações típicas são analisadas abaixo.

3.1 Características IV (Corrente-Tensão)

Uma família de curvas que traça a corrente do coletor (I_C) em função da tensão coletor-emissor (V_CE) para diferentes níveis de irradiância incidente (E_e). Essas curvas normalmente mostram que, para uma irradiância fixa, I_Caumenta com V_CEaté atingir uma região de saturação. Níveis de irradiância mais altos deslocam as curvas para cima, indicando maior fotocorrente. A inclinação na região ativa está relacionada à condutância de saída do dispositivo.

3.2 Sensibilidade Relativa vs. Comprimento de Onda

Esta curva representa graficamente a resposta espectral, com pico em 940nm e diminuindo em direção a 750nm e 1100nm (os pontos λ_0.5). É essencial para selecionar um emissor IR apropriado para emparelhar com o detector e para avaliar o impacto de fontes de luz ambiente com espectros diferentes.

3.3 Dependência da Temperatura

As curvas provavelmente mostram a variação de parâmetros-chave como corrente de escuro (I_D) e fotocorrente com a temperatura ambiente. A corrente de escuro normalmente aumenta exponencialmente com a temperatura (dobrando aproximadamente a cada 10°C), o que pode ser uma fonte significativa de ruído em aplicações de alta temperatura. A fotocorrente também pode ter um leve coeficiente de temperatura negativo.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões do Pacote

O dispositivo está em conformidade com o contorno padrão do pacote EIA. Todas as dimensões são fornecidas em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,10 mm, salvo indicação em contrário. O pacote possui uma lente de resina preta de corte de luz diurna moldada sobre o chip de silício.

4.2 Identificação de Polaridade e Pinagem

O fototransístor é um dispositivo de 2 pinos. A pinagem é padrão para tais pacotes: o coletor é tipicamente conectado ao encapsulamento ou ao terminal mais longo (se aplicável), enquanto o emissor é o outro pino. O diagrama da folha de dados fornece a identificação definitiva. A polaridade correta é essencial para o funcionamento adequado do circuito.

4.3 Layout Sugerido para as Ilhas de Solda

Um padrão de ilha de solda ("footprint") recomendado para o projeto de PCB é fornecido para garantir a formação confiável da junta de solda durante o refluxo. Seguir estas dimensões ajuda a evitar tombamento, desalinhamento ou filetes de solda insuficientes.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

5.1 Perfil de Soldagem por Refluxo

É fornecida uma sugestão detalhada para um perfil de refluxo infravermelho adequado para processos de solda sem chumbo (Pb-free). Os parâmetros-chave incluem:

• Pré-aquecimento:150°C a 200°C.
• Tempo de Pré-aquecimento:Máximo 120 segundos.
• Temperatura de Pico:Máximo 260°C.
• Tempo Acima do Líquidus (no pico):Máximo 10 segundos.
• Número Máximo de Ciclos de Refluxo: Two.

O perfil é baseado nos padrões JEDEC para garantir a integridade do pacote. Os engenheiros devem caracterizar o perfil para seu projeto de PCB específico, componentes e pasta de solda.

5.2 Soldagem Manual

Se a soldagem manual for necessária, a temperatura da ponta do ferro não deve exceder 300°C, e o tempo de soldagem por terminal deve ser limitado a no máximo 3 segundos. Apenas um ciclo de soldagem manual é recomendado para evitar estresse térmico.

5.3 Limpeza

Apenas agentes de limpeza especificados devem ser usados. Álcool isopropílico (IPA) ou álcool etílico são recomendados. O dispositivo deve ser imerso à temperatura ambiente por menos de um minuto. Líquidos químicos não especificados podem danificar a resina do pacote.

5.4 Condições de Armazenamento

Embalagem Selada (Saco de Barreira de Umidade):Armazenar a ≤30°C e ≤90% UR. Os componentes têm classificação para uso dentro de um ano a partir da data de selagem do saco.

Embalagem Aberta:Armazenar a ≤30°C e ≤60% UR. Os componentes devem ser submetidos ao refluxo dentro de uma semana (168 horas). Para armazenamento mais longo fora do saco original, eles devem ser armazenados em um recipiente selado com dessecante ou em um dessecador de nitrogênio. Componentes armazenados por mais de uma semana devem passar por "baking" (pré-aquecimento) a aproximadamente 60°C por pelo menos 20 horas antes da soldagem para remover a umidade absorvida e evitar o "efeito pipoca" ("popcorning") durante o refluxo.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Especificações da Fita e da Bobina

O dispositivo é fornecido em fita transportadora de 8mm em bobinas de diâmetro de 7 polegadas (178mm), compatível com equipamentos de colocação automática padrão.

• Peças por Bobina: 3000.
• Fita de Cobertura:Os compartimentos vazios dos componentes são selados com uma fita de cobertura superior.
• Componentes Ausentes:Um máximo de dois componentes ausentes consecutivos ("missing lamps") é permitido por especificação da bobina.
• Padrão:A embalagem segue as especificações ANSI/EIA 481-1-A-1994.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Receptores de Controle Remoto Infravermelho:Para TVs, sistemas de áudio e set-top boxes (emparelhado com um LED IR de 940nm).
• Detecção de Objetos/Proximidade:Em impressoras, copiadoras, máquinas de venda automática e automação industrial para detectar papel, objetos ou posição.
• Detectores de Fumaça:Em projetos baseados em câmara óptica.
• Codificadores:Para sensoriamento de velocidade ou posição no controle de motores.
• Isolamento Óptico Básico:Em circuitos de isolamento de baixa velocidade e sensíveis ao custo.

7.2 Considerações sobre o Projeto do Circuito

Método de Acionamento:O fototransístor é um dispositivo de saída de corrente. Para um desempenho consistente, especialmente quando vários dispositivos são usados em paralelo, é altamente recomendável usar um resistor limitador de corrente em série com cada fototransístor (Modelo de Circuito A na folha de dados).

Modelo de Circuito A (Recomendado):Cada fototransístor tem seu próprio resistor em série conectado à tensão de alimentação. Isso garante que cada dispositivo opere em um ponto de corrente definido, compensando pequenas variações em suas características corrente-tensão (I-V) e impedindo que um dispositivo "roube" a corrente dos outros ("current hogging").

Modelo de Circuito B (Não Recomendado para Uso em Paralelo):Múltiplos fototransístores conectados diretamente em paralelo a um único resistor compartilhado. Devido às variações naturais na curva I-V de componentes individuais, um dispositivo pode drenar mais corrente que os outros, levando a brilho ou sensibilidade desigual em aplicações de detecção.

Polarização:O dispositivo é tipicamente usado em uma configuração de emissor comum com um resistor de "pull-up" no coletor. O valor deste resistor de carga (R_L) afeta tanto a excursão da tensão de saída quanto a velocidade de resposta (via a constante de tempo RC formada com a capacitância do dispositivo). Um R_Lmenor dá uma resposta mais rápida, mas uma mudança menor na tensão de saída.

Imunidade a Ruído:A lente preta de corte de luz diurna fornece excelente rejeição à luz visível. No entanto, para ambientes com alto ruído (ex.: com iluminação fluorescente ou luz solar), filtragem elétrica adicional (ex.: um capacitor em paralelo com o resistor de carga ou um algoritmo de "debounce" em hardware/software) pode ser necessária para rejeitar interferência modulada.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a um simples fotodiodo, um fototransístor fornece ganho de corrente interno (o beta, β, do transistor), resultando em uma corrente de saída muito maior para o mesmo nível de luz incidente. Isso facilita a interface direta com circuitos lógicos ou microcontroladores sem a necessidade de um estágio de amplificação subsequente, simplificando o projeto e reduzindo a contagem de componentes.

No entanto, este ganho vem ao custo de tempos de resposta mais lentos (tipicamente dezenas a centenas de nanossegundos para fototransístores vs. nanossegundos para fotodiodos) e potencialmente maior capacitância. Para aplicações de velocidade muito alta (ex.: modulação >1 MHz), um fotodiodo com um amplificador de transimpedância externo pode ser uma escolha melhor.

Os principais diferenciais do LTR-S320-DB-L dentro da categoria de fototransístores são seu pacote EIA padronizado para facilitar a fabricação, o casamento espectral específico de 940nm, a lente filtro de luz diurna integrada e sua qualificação para processos de refluxo sem chumbo.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas nos Parâmetros Técnicos)

9.1 Qual é a finalidade da lente de "corte de luz diurna"?

A lente de resina preta é dopada para ser opaca à luz visível, mas transparente aos comprimentos de onda infravermelhos em torno de 940nm. Isso reduz drasticamente a fotocorrente gerada pela luz ambiente da sala, luz solar ou outras fontes visíveis, minimizando acionamentos falsos e melhorando a confiabilidade da detecção do sinal IR.

9.2 Posso usar este componente com um LED IR de 850nm?

Sim, mas com eficiência reduzida. A curva de resposta espectral do dispositivo mostra sensibilidade significativa a 850nm (dentro da largura de banda de 750-1100nm), mas não está no pico (940nm). O sinal de saída será mais fraco em comparação com o uso de um emissor compatível de 940nm. Para desempenho ideal e alcance máximo, recomenda-se emparelhar com uma fonte de 940nm.

9.3 Como calculo o valor apropriado do resistor em série?

O valor do resistor depende da corrente de operação desejada e da tensão de alimentação (V_CC). Sob uma irradiância específica, o fototransístor se comportará como uma fonte de corrente. Usando a Lei de Ohm: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)é a tensão de saturação (tipicamente algumas centenas de mV em correntes moderadas). I_Cé a corrente de coletor desejada, que pode ser estimada a partir do parâmetro I_SCe do nível de luz esperado. Comece com o I_SCtípico (1,8 µA a 0,5 mW/cm²) e escale-o com base na irradiância da sua aplicação. Escolha R para definir o ponto de operação na região desejada da curva IV.

9.4 Por que é necessário o "baking" (pré-aquecimento) se as peças forem armazenadas fora da embalagem selada?

Os pacotes plásticos podem absorver umidade da atmosfera. Durante o processo de soldagem por refluxo em alta temperatura, essa umidade retida pode vaporizar rapidamente, criando alta pressão interna. Isso pode causar delaminação do pacote do "die" ("efeito pipoca" ou "popcorning") ou rachaduras internas, levando a falhas imediatas ou latentes. O "baking" remove essa umidade absorvida, tornando os componentes seguros para o refluxo.

10. Princípio de Funcionamento

Um fototransístor é fundamentalmente um transistor de junção bipolar (BJT) onde a corrente da base é gerada pela luz em vez de uma conexão elétrica. Fótons incidentes com energia maior que a banda proibida do silício criam pares elétron-lacuna na região da junção base-coletor. Esses portadores são varridos pelo campo elétrico interno, gerando uma fotocorrente que atua como a corrente da base (I_B). Esta corrente de base fotogerada é então amplificada pelo ganho de corrente do transistor (h_FEou β), resultando em uma corrente de coletor muito maior (I_C= β * I_B). A saída é obtida do terminal do coletor, com o emissor aterrado. A ausência de um terminal de base físico é uma característica comum, embora alguns fototransístores incluam uma conexão de base para controle de polarização ou otimização de velocidade.

11. Tendências de Desenvolvimento

O campo da fotodetecção continua a evoluir. Tendências relevantes para dispositivos como o LTR-S320-DB-L incluem:

• Miniaturização:Desenvolvimento de fototransístores em "footprints" de pacote menores (ex.: pacotes em escala de chip) para permitir eletrônicos mais densos.
• Integração Aprimorada:Combinação do fotodetector com amplificação, filtragem e lógica digital em um único chip para criar "sensores inteligentes" com saída digital (I2C, SPI), reduzindo a contagem de componentes externos e simplificando o projeto do sistema.
• Velocidade Aprimorada:Pesquisa em estruturas e materiais para reduzir o tempo de trânsito dos portadores e a capacitância, elevando as larguras de banda dos fototransístores para aplicações de comunicação de dados.
• Especificidade de Comprimento de Onda:Desenvolvimento de detectores com respostas espectrais mais estreitas e precisamente sintonizadas para melhorar a seletividade em ambientes com múltiplas fontes IR ou para permitir novas modalidades de sensoriamento.
• Foco em Confiabilidade e Testes:À medida que a optoeletrônica penetra em aplicações automotivas, médicas e de segurança industrial, há uma ênfase crescente em padrões de qualificação rigorosos, operação em faixas de temperatura estendidas e análise de modos de falha.

Embora os fototransístores discretos permaneçam vitais para muitas aplicações devido à sua simplicidade e custo-benefício, essas tendências apontam para soluções mais sofisticadas e específicas para aplicações no futuro.