Ficha Técnica do Fototransistor LTR-209 - Embalagem Transparente - Vce 30V - Potência 100mW - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-209 é um fototransistor de silício NPN projetado para aplicações de detecção de infravermelho. Ele é encapsulado em uma embalagem plástica transparente que permite alta sensibilidade à luz incidente, particularmente no espectro infravermelho. O dispositivo é caracterizado por sua ampla faixa de operação, confiabilidade e custo-benefício, tornando-o adequado para vários sistemas de sensoriamento e detecção.

1.1 Vantagens Principais

• Ampla Faixa de Corrente de Coletor:O dispositivo suporta um amplo espectro de níveis de corrente de coletor, proporcionando flexibilidade no projeto do circuito e ajuste de sensibilidade.
• Lente de Alta Sensibilidade:A lente integrada aumenta a sensibilidade do dispositivo à radiação infravermelha incidente, melhorando a relação sinal-ruído.
• Embalagem Plástica de Baixo Custo:Utiliza um encapsulamento plástico econômico, reduzindo o custo geral do sistema.
• Embalagem Transparente Clara:O invólucro transparente maximiza a quantidade de luz que atinge a área semicondutora ativa, otimizando o desempenho.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

A seção seguinte fornece uma interpretação detalhada e objetiva dos principais parâmetros elétricos e ópticos especificados para o fototransistor LTR-209.

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites além dos quais danos permanentes ao dispositivo podem ocorrer. A operação sob ou nestas condições não é garantida.

• Dissipação de Potência (P_D):100 mW. Esta é a potência máxima que o dispositivo pode dissipar como calor a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C. Exceder este limite arrisca fuga térmica e falha.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre os terminais coletor e emissor com a base aberta (apenas fotocorrente).
• Tensão Emissor-Coletor (V_ECO):5 V. A tensão reversa máxima aplicável entre emissor e coletor.
• 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.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C por 5 segundos a 1,6mm do corpo do encapsulamento. Isto define o perfil térmico aceitável para processos de soldagem manual ou por onda.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Estes parâmetros são medidos sob condições de teste específicas em T_A=25°C e definem o desempenho típico do dispositivo.

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO):30 V (Mín.). Medida em I_C= 1mA com irradiância zero (E_e= 0 mW/cm²). Isto confirma a especificação máxima absoluta.
• Tensão de Ruptura Emissor-Coletor (V_(BR)ECO):5 V (Mín.). Medida em 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 ele está totalmente "ligado" (conduzindo), medida em I_C= 100µA e E_e= 1 mW/cm². Um V_CE(SAT)mais baixo é desejável para menor perda de potência.
• Tempo de Subida (T_r) & Tempo de Descida (T_f):10 µs (Típ.) e 15 µs (Típ.) respectivamente. Estes parâmetros definem a velocidade de comutação do fototransistor. Medidos sob condições de V_CC=5V, I_C=1mA, e R_L=1kΩ. A assimetria é comum em fototransistores.
• Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO):100 nA (Máx.). Esta é a corrente de fuga que flui do coletor para o emissor quando o dispositivo está em completa escuridão (E_e= 0 mW/cm²) e V_CE= 10V. Uma baixa corrente de escuridão é crítica para aplicações de alta sensibilidade para minimizar o ruído.

3. Explicação do Sistema de Binning

O LTR-209 emprega um sistema de binning para seu parâmetro chave,Corrente de Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)). Binning é um processo de controle de qualidade onde os componentes são classificados com base no desempenho medido em grupos específicos ou "bins". Isto permite que os projetistas selecionem um dispositivo com uma faixa de desempenho garantida adequada para sua aplicação.

3.1 Binning da Corrente de Coletor em Estado Ligado

O I_C(ON)é medido sob condições padronizadas: V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², e um comprimento de onda da fonte infravermelha (λ) de 940nm. O dispositivo é classificado nos seguintes bins com base em sua corrente medida:

• BIN C:0,8 mA (Mín.) a 2,4 mA (Máx.)
• BIN D:1,6 mA (Mín.) a 4,8 mA (Máx.)
• BIN E:3,2 mA (Mín.) a 9,6 mA (Máx.)
• BIN F:6,4 mA (Mín.) - Nenhum limite superior especificado neste trecho da ficha técnica.

Implicação de Projeto:Um circuito projetado para dispositivos BIN C (corrente mais baixa) pode não funcionar corretamente se um dispositivo BIN F (corrente mais alta) for usado sem recalibração, e vice-versa. Especificar o código do bin é crucial para um desempenho consistente do sistema.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram como os parâmetros-chave variam com as condições de operação. Estas são essenciais para entender o comportamento no mundo real além das especificações de ponto único.

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

Este gráfico mostra que I_CEO(corrente de escuridão) aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura ambiente (T_A). Por exemplo, a 100°C, a corrente de escuridão pode ser ordens de magnitude maior do que a 25°C. Este é um comportamento fundamental do semicondutor devido ao aumento da geração térmica de portadores de carga.Consideração de Projeto:Em aplicações de alta temperatura, o aumento da corrente de escuridão pode se tornar uma fonte significativa de ruído, potencialmente mascarando sinais ópticos fracos. O gerenciamento térmico ou condicionamento de sinal pode ser necessário.

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

Esta curva de derating mostra a dissipação de potência máxima permitida (P_C) em função de T_A. A especificação máxima absoluta de 100 mW é válida apenas a ou abaixo de 25°C. À medida que T_Aaumenta, a capacidade do dispositivo de dissipar calor diminui, portanto a potência máxima permitida deve ser reduzida linearmente. A 85°C (a temperatura máxima de operação), a dissipação de potência permitida é significativamente menor.Consideração de Projeto:Os circuitos devem ser projetados para garantir que a potência real dissipada (V_CE* I_C) não exceda o valor derating na temperatura de operação mais alta esperada.

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

Esta curva demonstra o compromisso entre velocidade de comutação e amplitude do sinal. O tempo de subida (T_r) e o tempo de descida (T_f) aumentam com uma resistência de carga (R_L) maior. Um R_Lmaior fornece uma maior excursão de tensão de saída (ΔV = I_C* R_L) mas desacelera o tempo de resposta do circuito porque a capacitância da junção do transistor leva mais tempo para carregar/descarregar através do resistor maior.Consideração de Projeto:O valor de R_Ldeve ser escolhido com base se a aplicação prioriza resposta de alta velocidade (R_Lmenor) ou alto ganho de tensão de saída (R_Lmaior).

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

Este gráfico traça a corrente de coletor normalizada contra a densidade de potência óptica incidente (irradiância, E_e). Ele mostra uma relação linear na faixa plotada (0 a ~5 mW/cm²). Esta linearidade é uma característica chave dos fototransistores usados em aplicações de sensoriamento analógico, pois a corrente de saída é diretamente proporcional à intensidade da luz de entrada. A curva é mostrada para V_CE= 5V.

4.5 Diagrama de Sensibilidade (Fig. 5)

Embora os eixos exatos sejam abreviados, um "Diagrama de Sensibilidade" tipicamente ilustra a resposta espectral do detector. Fototransistores de silício como o LTR-209 são mais sensíveis à luz na região do infravermelho próximo, com pico em torno de 800-950 nm. Isto os torna ideais para uso com emissores infravermelhos comuns (como LEDs com λ=940nm, conforme referenciado na condição de teste de binning) e para filtrar interferência de luz visível.

5. Informações Mecânicas e de Embalagem

5.1 Dimensões da Embalagem

O dispositivo utiliza uma embalagem plástica de montagem em furo padrão. Notas dimensionais importantes da ficha técnica incluem:

• Todas as dimensões estão em milímetros (polegadas fornecidas entre parênteses).
• Uma tolerância padrão de ±0,25mm (±.010") aplica-se, salvo indicação em contrário.
• A protrusão máxima da resina sob o flange é de 1,5mm (.059").
• O espaçamento dos terminais é medido no ponto onde os terminais saem do corpo do encapsulamento, o que é crítico para o projeto da área de contato na PCB.

Identificação de Polaridade:O terminal mais longo é tipicamente o coletor, e o terminal mais curto é o emissor. O lado plano na borda da embalagem também pode indicar o lado do emissor. Sempre verifique com o diagrama da embalagem.

6. Diretrizes de Soldagem e Montagem

A orientação principal fornecida é para soldagem manual ou por onda: os terminais podem ser submetidos a uma temperatura de 260°C por uma duração máxima de 5 segundos, medida a uma distância de 1,6mm (.063") do corpo do encapsulamento. Isto evita danos térmicos ao chip semicondutor interno e à embalagem plástica.

Para Soldagem por Refluxo:Embora não explicitamente declarado nesta ficha técnica, embalagens plásticas similares tipicamente requerem um perfil compatível com os padrões JEDEC (ex., J-STD-020), com uma temperatura de pico geralmente não excedendo 260°C. O nível específico de sensibilidade à umidade (MSL) e os requisitos de pré-aquecimento não são fornecidos aqui e devem ser confirmados com o fabricante.

Condições de Armazenamento:O dispositivo deve ser armazenado dentro da faixa de temperatura especificada de -55°C a +100°C em um ambiente seco e não corrosivo. Para armazenamento de longo prazo, precauções antiestáticas são recomendadas.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Detecção de Objetos & Sensoriamento de Proximidade:Usado em conjunto com um LED IR para detectar a presença, ausência ou proximidade de um objeto (ex., em máquinas de venda automática, impressoras, automação industrial).
• Sensores de Fenda & Encoders:Detectando interrupções em um feixe de IR para contar objetos ou medir velocidade rotacional.
• Receptores de Controle Remoto:Embora mais lentos que fotodiodos dedicados, podem ser usados em circuitos receptores de IR simples e de baixo custo.
• Barreiras de Luz & Sistemas de Segurança:Criando um feixe invisível para detecção de intrusão.

7.2 Considerações de Projeto e Configuração do Circuito

A configuração de circuito mais comum é o modoemissor comum. O fototransistor é conectado com o coletor a uma fonte positiva (V_CC) através de um resistor de carga (R_L), e o emissor é conectado ao terra. A luz incidente causa uma fotocorrente (I_C) fluir, gerando uma tensão de saída (V_OUT) no nó do coletor: V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). No escuro, V_OUTé alta (~V_CC). Quando iluminado, V_OUT drops.

Passos Principais de Projeto:

1. Selecione R_L:Com base na excursão de saída necessária (V_CC/I_C(ON)) e na velocidade desejada (ver Fig. 3). Valores entre 1kΩ e 10kΩ são comuns.
2. Considere a Largura de Banda:O valor de R_L, combinado com a capacitância da junção do dispositivo, forma um filtro passa-baixas. Para operação pulsada, garanta que a constante de tempo RC do circuito seja muito menor que a largura do pulso.
3. Gerencie a Luz Ambiente:Use filtragem óptica (um filtro escuro ou passa-IR sobre o sensor) para bloquear luz visível indesejada e reduzir o ruído.
4. Compensação de Temperatura:Para sensoriamento analógico de precisão, considere a dependência da temperatura da corrente de escuridão (Fig. 1). Técnicas incluem usar um sensor de referência escuro combinado em uma configuração diferencial ou implementar compensação por software.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a outros detectores ópticos:

• vs. Fotodiodo:Um fototransistor fornece ganho de corrente inerente (β ou h_FE), resultando em uma corrente de saída muito maior para o mesmo nível de luz. Isto simplifica o projeto do circuito, pois menos amplificação subsequente é necessária. No entanto, fototransistores são geralmente mais lentos (tempos de subida/descida mais longos) e têm uma faixa linear mais limitada do que fotodiodos.
• vs. Fotodarlington:Um fotodarlington oferece ganho ainda maior que um fototransistor padrão, mas tem tempos de resposta significativamente mais lentos e uma tensão de saturação (V_CE(SAT)) mais alta. O LTR-209 oferece um bom equilíbrio entre ganho, velocidade e queda de tensão.
• Característica Diferenciadora do LTR-209:Suaembalagem transparenteelente integradasão diferenciais chave. Muitos fototransistores concorrentes usam embalagens de epóxi preto que atenuam a luz. A embalagem transparente do LTR-209 maximiza a sensibilidade, enquanto a lente ajuda a focar a luz incidente na área ativa, melhorando a direcionalidade e a força do sinal.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

9.1 O que significa o código "BIN" e por que é importante?

O código BIN (C, D, E, F) categoriza o dispositivo com base em sua Corrente de Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)) medida. É crucial porque garante uma faixa de desempenho específica. Usar um dispositivo do bin errado pode fazer seu circuito ficar sub-sensível ou super-sensível, levando a mau funcionamento. Sempre especifique o bin necessário ao fazer o pedido.

9.2 Posso usar este sensor com uma fonte de luz visível?

Embora o material de silício responda à luz visível, seu pico de sensibilidade está no infravermelho próximo (ver Fig. 5 implícita). Para desempenho ideal e para evitar interferência da luz visível ambiente, é fortemente recomendado emparelhá-lo com um emissor infravermelho (tipicamente 850nm, 880nm ou 940nm) e usar um filtro passa-IR no detector.

9.3 Como converter a saída para um sinal digital?

O método mais simples é conectar a saída (nó do coletor) à entrada de um inversor com gatilho Schmitt ou a um comparador com histerese. Isto converte a excursão de tensão analógica em um sinal digital limpo, imune a ruído. O limiar do comparador deve ser definido entre os níveis de tensão de saída "claro" e "escuro".

9.4 Por que minha saída fica instável em um ambiente claro e quente?

Isto provavelmente se deve aos efeitos combinados da alta corrente de escuridão (aumentando com a temperatura conforme Fig. 1) e da resposta à luz ambiente. Soluções incluem: 1) Adicionar uma proteção física ou tubo para limitar o campo de visão, 2) Usar uma fonte de IR modulada e detecção síncrona, 3) Implementar um circuito de polarização ou compensação estável em temperatura.

10. Estudo de Caso de Projeto Prático

Cenário:Projetando um sensor de detecção de papel para uma impressora.

Implementação:Um LED IR e o LTR-209 são colocados em lados opostos do caminho do papel, alinhados para criar um feixe. Quando o papel está presente, ele bloqueia o feixe. O fototransistor é configurado no modo emissor comum com R_L= 4,7kΩ e V_CC= 5V.

Seleção de Componentes & Cálculos:Selecione um dispositivo do BIN D (I_C(ON)= 1,6-4,8mA). Sem papel (feixe intacto), assuma I_C= 3mA (típico). V_OUT= 5V - (3mA * 4,7kΩ) = 5V - 14,1V = -9,1V. Isto é impossível, significando que o transistor está saturado. Em saturação, V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0,4V (um sinal BAIXO). Quando o papel bloqueia o feixe, I_C≈ I_CEO(muito pequena, ~nA), então V_OUT≈ 5V (um sinal ALTO). Um pino GPIO de um microcontrolador pode ler este sinal ALTO/BAIXO diretamente para detectar a presença de papel. Um capacitor de desacoplamento (ex., 100nF) nos pinos de alimentação do sensor é recomendado para filtrar ruído.

11. Princípio de Funcionamento

Um fototransistor é um transistor de junção bipolar (BJT) onde a região da base é exposta à luz. Fótons incidentes com energia suficiente criam pares elétron-lacuna na junção base-coletor. Estes portadores fotogerados são varridos pelo campo elétrico interno, atuando efetivamente como uma corrente de base. Esta "corrente de base óptica" é então amplificada pelo ganho de corrente do transistor (h_FE), resultando em uma corrente de coletor muito maior. A magnitude desta corrente de coletor é proporcional à intensidade da luz incidente, fornecendo a função de sensoriamento. A embalagem transparente e a lente do LTR-209 maximizam o número de fótons que atingem a junção semicondutora sensível.

12. Tendências Tecnológicas

Fototransistores como o LTR-209 representam uma tecnologia madura e custo-efetiva. As tendências atuais em optoeletrônica incluem:

• Integração:Movendo-se para soluções integradas que combinam o fotodetector, amplificador e lógica digital (ex., fotointerruptores com saída lógica embutida) em um único chip, reduzindo a contagem de componentes externos e melhorando a imunidade a ruído.
• Dispositivos de Montagem em Superfície (SMD):Embora as embalagens de montagem em furo permaneçam populares para prototipagem e certas aplicações, há uma forte mudança da indústria para embalagens SMD menores (ex., SMT-3) para montagem automatizada e projetos com restrições de espaço.
• Desempenho Aprimorado:Desenvolvimento de dispositivos com tempos de resposta mais rápidos, correntes de escuridão mais baixas e estabilidade de temperatura melhorada para aplicações mais exigentes em eletrônica automotiva, industrial e de consumo.
• Otimização Específica da Aplicação:Sensores estão sendo adaptados para comprimentos de onda específicos (ex., para monitoramento de frequência cardíaca em comprimentos de onda IR específicos) ou com filtros de luz diurna embutidos.

O princípio de funcionamento fundamental do fototransistor permanece válido, e dispositivos como o LTR-209 continuam sendo uma escolha confiável para uma vasta gama de necessidades de sensoriamento de básicas a intermediárias devido à sua simplicidade, robustez e baixo custo.