Ficha Técnica do Fototransístor LTR-3208 - Dimensões do Pacote - Tensão Coletor-Emissor 30V - Dissipação de Potência 100mW - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-3208 é um fototransístor de silício NPN projetado para aplicações de detecção de infravermelhos. É encapsulado num invólucro de plástico de baixo custo que integra uma lente otimizada para alta sensibilidade. Este componente foi concebido para converter luz infravermelha incidente numa corrente elétrica correspondente no seu terminal coletor, tornando-o adequado para diversos sistemas de sensoriamento e deteção onde é necessária uma deteção de luz fiável e económica.

1.1 Vantagens Principais

O dispositivo oferece vários benefícios-chave para os projetistas. A sua característica principal é uma ampla gama de operação para a corrente de coletor, proporcionando flexibilidade no desenho de circuitos para diferentes níveis de sinal. A incorporação de uma lente diretamente no encapsulamento aumenta a sua sensibilidade à radiação infravermelha incidente, melhorando a relação sinal-ruído e o alcance de deteção. Além disso, a utilização de um encapsulamento de plástico padrão contribui para um baixo custo total do componente, tornando-o uma opção atrativa para aplicações de alto volume ou sensíveis ao custo.

1.2 Mercado-Alvo e Aplicações

Este fototransístor destina-se ao amplo mercado da optoeletrónica, servindo aplicações que requerem sensoriamento sem contacto. Casos de uso típicos incluem deteção de objetos, sensoriamento de posição, interruptores de fenda (ex.: em impressoras e codificadores), interruptores sem contacto e sistemas de automação industrial. A sua fiabilidade e interface simples (normalmente requerendo apenas uma resistência de pull-up e uma tensão de alimentação) tornam-no uma escolha comum tanto para eletrónica de consumo como para sistemas de controlo industrial.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

O desempenho elétrico e óptico do LTR-3208 é caracterizado em condições ambientais padrão (25°C). Compreender estes parâmetros é crítico para um desenho de circuito adequado e para garantir uma operação fiável dentro dos limites especificados do dispositivo.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. A operação nestes ou acima destes limites não é garantida. A dissipação de potência máxima é de 100 mW, o que dita o desenho térmico da aplicação. A tensão máxima coletor-emissor (V_CEO) é de 30V, enquanto a tensão máxima emissor-coletor (V_ECO) é de 5V, indicando a assimetria do dispositivo. A gama de temperatura de operação vai de -40°C a +85°C, e pode ser armazenado em ambientes de -55°C a +100°C. Para soldadura, os terminais suportam 260°C durante 5 segundos quando medidos a 1,6mm do corpo do encapsulamento.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Os parâmetros operacionais-chave definem o desempenho do dispositivo em condições de teste específicas. A Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO) é tipicamente 30V a 1mA de corrente de coletor sem iluminação. A Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)) é muito baixa, variando de 0,1V (mín.) a 0,4V (máx.) quando o dispositivo é acionado com 100μA de corrente de coletor sob uma irradiância de 1 mW/cm². Esta baixa tensão de saturação é desejável para aplicações de comutação. A velocidade de comutação é caracterizada pelo Tempo de Subida (T_r) e Tempo de Descida (T_f), especificados como 10 μs e 15 μs, respetivamente, nas condições de teste de V_CC=5V, I_C=1mA e R_L=1kΩ. A Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO), que é a corrente de fuga sem luz, tem um valor máximo de 100 nA a V_CE=10V.

2.3 Corrente de Coletor em Estado Ligado e Binning

Um parâmetro crítico é a Corrente de Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)), que é a saída de corrente quando o dispositivo é iluminado. Este parâmetro é "binned", o que significa que os dispositivos são classificados em grupos de desempenho. A condição de teste é V_CE= 5V com uma irradiância de 1 mW/cm² a um comprimento de onda de 940nm. Os bins são os seguintes: Bin C: 0,8 a 2,4 mA; Bin D: 1,6 a 4,8 mA; Bin E: 3,2 a 9,6 mA; Bin F: 6,4 mA (mínimo). Esta classificação permite aos projetistas selecionar um dispositivo com uma gama de sensibilidade apropriada para a sua aplicação específica, garantindo um desempenho consistente do sistema.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram como os parâmetros-chave variam com fatores ambientais e operacionais. Estes gráficos são essenciais para compreender o comportamento do dispositivo para além das especificações pontuais dadas nas tabelas.

3.1 Dependência da Temperatura

A Figura 1 mostra a relação entre a Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO) e a Temperatura Ambiente (T_a). A corrente de escuro aumenta exponencialmente com a temperatura, o que é uma propriedade fundamental das junções semicondutoras. Os projetistas devem ter em conta este aumento da fuga em ambientes de alta temperatura, pois pode afetar o nível de sinal no estado desligado e o ruído de fundo. A Figura 2 representa a derrogação da Dissipação de Potência Máxima Admissível no Coletor (P_C) à medida que a temperatura ambiente aumenta. A classificação de 100 mW é válida apenas a 25°C ou abaixo; acima desta temperatura, a potência máxima deve ser reduzida linearmente para evitar sobrecarga térmica.

3.2 Características Dinâmicas e de Resposta

A Figura 3 ilustra como os Tempos de Subida e Descida (T_r, T_f) são afetados pela Resistência de Carga (R_L). Os tempos de comutação aumentam com resistências de carga maiores. Esta é uma consideração crucial para projetar circuitos de deteção de alta velocidade, onde pode ser necessária uma resistência de carga menor para alcançar a largura de banda desejada, embora ao custo de um maior consumo de corrente. A Figura 4 mostra a Corrente Relativa do Coletor em função da Irradiância (E_e). A relação é geralmente linear na região de operação, confirmando que a corrente de saída é diretamente proporcional à potência da luz incidente, o que é ideal para aplicações de sensoriamento analógico.

3.3 Resposta Espectral

As Figuras 5 e 6 estão relacionadas com a sensibilidade espectral do dispositivo. A Figura 5 é um diagrama polar que mostra a dependência angular da sensibilidade, indicando como a saída varia com o ângulo da luz incidente em relação ao eixo do dispositivo. Isto é importante para o alinhamento em sistemas ópticos. A Figura 6, a curva de Distribuição Espectral, mostra que o LTR-3208 é mais sensível à luz infravermelha, com a responsividade de pico a ocorrer num comprimento de onda específico (implícito na região do infravermelho próximo, típico para fototransístores de silício). Tem uma resposta negligenciável à luz visível, tornando-o imune à iluminação ambiente em muitos casos.

4. Informação Mecânica e de Encapsulamento

4.1 Dimensões do Pacote

O LTR-3208 utiliza um encapsulamento de plástico padrão com três terminais. O pacote inclui uma lente moldada no topo para focar a luz incidente na área semicondutora sensível. Dimensões críticas incluem o tamanho do corpo, o espaçamento dos terminais e a protrusão da resina sob o flange, especificada como um máximo de 1,5mm. O espaçamento dos terminais é medido no ponto onde estes saem do corpo do encapsulamento. Todas as dimensões são fornecidas em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,25mm, salvo indicação em contrário. O contorno físico e as dimensões são essenciais para o desenho da impressão na PCB e para garantir o encaixe adequado na montagem.

4.2 Identificação de Polaridade e Pinagem

O dispositivo tem três pinos: Coletor, Emissor e Base (muitas vezes deixada desconectada ou usada para polarização em algumas configurações). A pinagem típica para um fototransístor neste encapsulamento é: ao visualizar o dispositivo de cima (lado da lente) com o lado plano ou o entalhe virado para uma direção específica, os pinos da esquerda para a direita são normalmente Emissor, Coletor e Base. No entanto, os projetistas devem sempre verificar a pinagem no desenho mecânico da ficha técnica para evitar erros de ligação. O encapsulamento pode também ter uma marcação ou indentação para identificar o pino 1.

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

5.1 Parâmetros de Soldadura por Reflow

Embora detalhes específicos do perfil de reflow não sejam fornecidos neste excerto, os Valores Máximos Absolutos dão uma restrição crítica: os terminais podem suportar uma temperatura de soldadura de 260°C durante no máximo 5 segundos quando medidos a 1,6mm do corpo do encapsulamento. Isto implica que perfis de reflow sem chumbo padrão (que normalmente atingem picos à volta de 245-260°C) são aceitáveis, mas o tempo acima do líquidus deve ser controlado para evitar danos no encapsulamento. Recomenda-se seguir as normas JEDEC ou IPC para soldadura de dispositivos encapsulados em plástico.

5.2 Precauções de Manuseamento e Armazenamento

O dispositivo deve ser manuseado com as precauções padrão de ESD (Descarga Eletrostática), pois a junção semicondutora pode ser danificada por eletricidade estática. O armazenamento deve ser dentro da gama de temperatura especificada de -55°C a +100°C num ambiente de baixa humidade. A lente deve ser mantida limpa e livre de riscos, contaminantes ou exsudação de epóxi durante a montagem, pois estes podem afetar significativamente o desempenho óptico e a sensibilidade.

6. Sugestões de Aplicação

6.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A configuração de circuito mais comum é o "modo interruptor". O coletor do fototransístor é ligado a uma tensão de alimentação positiva (V_CC) através de uma resistência de pull-up (R_L). O emissor é ligado ao terra. O sinal de saída é retirado do nó do coletor. Quando não há luz, o dispositivo está desligado e a saída é puxada para o nível alto, V_CC. Quando luz infravermelha suficiente incide no dispositivo, ele liga-se, puxando a tensão de saída para baixo, em direção a V_CE(SAT). O valor de R_Ldetermina a excursão da saída, o consumo de corrente e a velocidade de comutação, como mostrado nas curvas de desempenho.

6.2 Considerações de Projeto

Os fatores-chave de projeto incluem:Polarização:Garantir que a tensão de operação V_CEestá dentro do valor máximo (30V).Seleção da Resistência de Carga:Escolher R_Lcom base na velocidade de comutação necessária (ver Fig. 3), na excursão da tensão de saída e no consumo de potência. Um R_Lmenor dá maior velocidade mas maior corrente.Alinhamento Óptico:Considerar o diagrama de sensibilidade angular (Fig. 5) ao projetar o caminho óptico entre o emissor IR e o detetor.Imunidade à Luz Ambiente:Embora o dispositivo seja principalmente sensível ao IR, fontes fortes de IR ambiente (como luz solar ou lâmpadas incandescentes) podem causar disparos falsos. Usar um sinal IR modulado e deteção síncrona pode melhorar muito a imunidade ao ruído.Efeitos da Temperatura:Ter em conta o aumento da corrente de escuro com a temperatura, o que pode exigir um ajuste do limiar no circuito de deteção.

7. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com um fotodíodo simples, um fototransístor fornece ganho interno, resultando numa corrente de saída muito maior para a mesma entrada de luz, muitas vezes eliminando a necessidade de um estágio amplificador adicional. Comparado com outros fototransístores, a diferenciação do LTR-3208 reside na sua combinação específica de encapsulamento (com lente integrada para maior sensibilidade), nos seus bins de corrente definidos que permitem a seleção de sensibilidade e nas suas classificações elétricas equilibradas (30V V_CEO, 100mW P_D). O baixo V_CE(SAT)também é uma característica favorável para uma comutação digital limpa.

8. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é o propósito dos diferentes bins (C, D, E, F) para I_C(ON)?

R: O binning classifica os dispositivos pela sua sensibilidade. Os dispositivos do Bin F têm a corrente de saída mínima mais alta (mais sensíveis), enquanto os do Bin C têm a mais baixa. Isto permite escolher um componente que corresponda ao nível de sinal exigido pelo seu sistema, garantindo consistência e potencialmente simplificando o desenho do circuito ao fornecer uma gama de sinal previsível.

P: Posso usar este sensor à luz do sol?

R: A luz solar direta contém uma quantidade significativa de radiação infravermelha e provavelmente saturará o sensor, causando um estado constante "ligado". Para uso exterior ou em ambientes muito iluminados, é fortemente recomendado o uso de filtragem óptica (um filtro passa-IR que bloqueia a luz visível) e/ou técnicas de modulação de sinal para distinguir o sinal IR pretendido do ruído IR ambiente.

P: Como interpreto os Tempos de Subida e Descida?

R: Estes especificam a velocidade a que a saída pode mudar de estado. Um tempo de subida de 10μs significa que leva aproximadamente 10 microssegundos para a saída passar de 10% para 90% do seu valor final quando a luz é aplicada. Isto limita a frequência máxima de luz modulada que pode ser detetada com precisão. Para deteção simples de objetos, esta velocidade é mais do que adequada. Para comunicação de alta velocidade, pode ser um fator limitante.

9. Exemplo Prático de Caso de Uso

Cenário: Deteção de Papel numa Impressora.Um LTR-3208 (de um bin de sensibilidade apropriado) e um LED infravermelho são colocados em lados opostos do caminho do papel, alinhados de modo a que o papel interrompa o feixe. O fototransístor é configurado num circuito interruptor com uma resistência de pull-up de 10kΩ para 5V. Quando não há papel, a luz IR atinge o sensor, ligando-o e puxando o pino de saída para uma tensão baixa (~0,2V). Quando o papel passa, bloqueia a luz, desligando o fototransístor e permitindo que o pino de saída seja puxado para o nível alto, 5V. Este sinal digital é enviado para um microcontrolador para rastrear a presença do papel e a deteção de bordas. A lente no LTR-3208 ajuda a focar o feixe IR, melhorando a fiabilidade e permitindo um ligeiramente maior espaçamento entre o emissor e o detetor.

10. Princípio de Funcionamento

Um fototransístor é um transístor de junção bipolar onde a região da base é exposta à luz. Fotões incidentes com energia maior que a banda proibida do semicondutor geram pares eletrão-lacuna na junção base-coletor. Estes portadores fotogerados são equivalentes a uma corrente de base. Devido à amplificação de corrente do transístor (beta ou h_FE), esta pequena fotocorrente é multiplicada, resultando numa corrente de coletor muito maior. O dispositivo combina essencialmente a deteção de luz de um fotodíodo com o ganho de corrente de um transístor num único encapsulamento. A lente integrada serve para concentrar mais luz na área semicondutora ativa, aumentando a efetiva "corrente de base" e, consequentemente, o sinal de saída.

11. Tendências Tecnológicas

A tendência geral em componentes optoeletrónicos discretos como os fototransístores é a miniaturização, maior integração e melhor desempenho. Isto inclui o desenvolvimento de encapsulamentos de montagem em superfície com menores dimensões e perfis mais baixos para atender às exigências dos modernos desenhos de PCB densos. Há também uma movimentação para dispositivos com parâmetros de desempenho mais bem definidos e consistentes, reduzindo a necessidade de calibração nas aplicações finais. Em algumas aplicações avançadas, os fototransístores estão a ser integrados com circuitos de amplificação e condicionamento de sinal no próprio chip para criar soluções mais completas de "sensor num pacote", embora componentes discretos como o LTR-3208 permaneçam altamente relevantes pela sua simplicidade, fiabilidade e custo-eficácia numa vasta gama de tarefas de sensoriamento padrão.