Ficha Técnica do Fototransistor LTR-1650D - Dimensões do Pacote 5.0x4.0x3.2mm - Tensão 30V - Potência 100mW - Pacote Transparente Escuro - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-1650D é um fototransistor NPN de silício projetado para aplicações de detecção no infravermelho. Ele é encapsulado em um pacote plástico transparente escuro de baixo custo, que permite a filtragem eficaz da luz visível enquanto transmite comprimentos de onda infravermelhos, principalmente em torno de 940nm. A lente integrada aumenta a sensibilidade do dispositivo ao focar a radiação infravermelha incidente na área ativa do transistor. Este componente é projetado para confiabilidade e desempenho em uma ampla faixa de temperatura de operação, sendo adequado para diversos sistemas de sensoriamento e controle.

2. Características Principais e Vantagens

• Ampla Faixa de Corrente de Coletor:O dispositivo oferece múltiplas classificações de desempenho (de A a F), proporcionando uma ampla seleção de corrente de coletor em condução (IC(ON)), desde um mínimo de 0,2mA até mais de 9,6mA máximo, permitindo que os projetistas selecionem um componente que atenda a requisitos específicos de sensibilidade.
• Lente de Alta Sensibilidade:A lente de epóxi integrada aumenta a área efetiva de coleta da luz infravermelha, melhorando a relação sinal-ruído e a responsividade geral.
• Pacote Plástico de Baixo Custo:Utiliza um encapsulamento plástico padrão e econômico para produção em massa e ampla adoção no mercado.
• Pacote Transparente Escuro Especial:O material do pacote é tingido para atenuar a luz visível, reduzindo a interferência de fontes de luz ambiente e melhorando o desempenho em ambientes com condições de luz flutuantes.

3. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

3.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de estresse além dos quais pode ocorrer dano permanente ao dispositivo. A operação sob estas condições não é garantida.

• Dissipação de Potência (P_D):100 mW a T_A=25°C. Esta é a potência máxima que o dispositivo pode dissipar com segurança na forma de calor.
• Tensão Coletor-Emissor (V_CEO):30 V. A tensão máxima que pode ser aplicada entre os terminais do coletor e do emissor com a base aberta.
• Tensão Emissor-Coletor (V_ECO):5 V. A tensão reversa máxima aplicável entre o emissor e o coletor.
• Faixa de Temperatura de Operação (T_opr):-40°C a +85°C. A faixa de temperatura ambiente na qual o dispositivo é especificado para operar.
• Faixa de Temperatura de Armazenamento (T_stg):-55°C a +100°C.
• Temperatura de Soldagem dos Terminais:260°C por 5 segundos a uma distância de 1,6mm do corpo do pacote. Isto é crítico para processos de soldagem por onda ou por refluxo.

3.2 Características Elétricas e Ópticas (T_A=25°C)

Os parâmetros a seguir são testados sob condições específicas e definem o desempenho do dispositivo.

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO):30 V (Mín.). Testado em I_C= 1mA sem irradiância (E_e= 0 mW/cm²).
• Tensão de Ruptura Emissor-Coletor (V_(BR)ECO):5 V (Mín.). Testado em I_E= 100µA sem irradiância.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):0,4 V (Máx.). A queda de tensão através do transistor quando ele está totalmente "ligado", testado em I_C= 100µA e E_e= 1 mW/cm². Um V_CE(SAT)baixo é desejável para comutação eficiente.
• Tempo de Subida (T_r) & Tempo de Descida (T_f):10 µs (Típ.). Estes parâmetros de velocidade de comutação são medidos com V_CC=5V, I_C=1mA e R_L=1kΩ. Eles determinam a rapidez com que o fototransistor responde a mudanças na intensidade da luz.
• Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO):100 nA (Máx.). Esta é a corrente de fuga que flui através do coletor quando o dispositivo está em completa escuridão (E_e= 0 mW/cm²) com V_CE= 10V. Uma corrente de escuro baixa é essencial para uma boa relação sinal-ruído na detecção em baixa luminosidade.

3.3 Sistema de Classificação (Binning) da Corrente de Coletor em Condução (I_C(ON))

O LTR-1650D é categorizado em diferentes bins com base na sua sensibilidade, definida pela Corrente de Coletor em Condução medida sob condições padronizadas (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm). Isto permite uma seleção precisa com base nos requisitos de ganho da aplicação.

• Bin A:0,2 - 0,6 mA
• Bin B:0,4 - 1,2 mA
• Bin C:0,8 - 2,4 mA
• Bin D:1,6 - 4,8 mA
• Bin E:3,2 - 9,6 mA
• Bin F:6,4 mA (Mín.)

Os projetistas devem consultar o código de bin específico ao fazer o pedido para garantir que o fototransistor atenda às necessidades de sensibilidade e corrente de saída do circuito.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram como os parâmetros-chave variam com as condições ambientais e elétricas.

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. Este é um comportamento fundamental dos semicondutores, onde os portadores de carga gerados termicamente se tornam mais prevalentes. Em aplicações de alta temperatura, esta corrente de fuga aumentada pode se tornar uma fonte significativa de ruído e deve ser considerada no projeto do limiar do amplificador de sensoriamento.

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

O gráfico descreve a derating da dissipação de potência máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta. A 25°C, o dispositivo pode suportar 100mW. Conforme a temperatura sobe, esta especificação diminui linearmente. Para operação confiável acima de 25°C, a potência real dissipada (V_CE* I_C) deve ser mantida abaixo da curva de derating. Isto é crucial para evitar a fuga térmica e garantir a confiabilidade a longo prazo.

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

Esta curva demonstra o compromisso entre velocidade de comutação e resistência de carga (R_L). Os tempos de subida e descida aumentam com resistores de carga maiores. Isto ocorre porque um R_Lmaior cria uma constante de tempo RC maior com a capacitância de junção do fototransistor. Para aplicações que requerem detecção rápida de pulsos, deve-se usar um resistor de carga menor, embora ao custo de uma redução na excursão da tensão de saída.

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

Este gráfico mostra a relação entre a irradiância infravermelha incidente (E_e) e a corrente de coletor resultante. A resposta é geralmente linear em uma certa faixa, o que é ideal para aplicações de sensoriamento de luz analógico. A inclinação desta linha representa a responsividade do dispositivo. Compreender esta característica é fundamental para calibrar a saída do sensor para um nível específico de intensidade luminosa.

4.5 Diagrama de Sensibilidade (Fig. 5)

Este diagrama polar ilustra a dependência angular da sensibilidade do fototransistor. A sensibilidade é tipicamente mais alta quando a luz infravermelha incide perpendicularmente à lente (0°). Ela diminui à medida que o ângulo de incidência aumenta. Esta característica é vital para projetar o caminho óptico em uma aplicação, como garantir o alinhamento adequado em um interruptor do tipo fenda ou definir o campo de visão para um sensor de proximidade.

5. Informações Mecânicas e do Pacote

5.1 Dimensões do Pacote

O dispositivo utiliza um pacote radial com terminais padrão de 3mm (T-1). As dimensões principais incluem:

• Diâmetro do corpo do pacote: Aproximadamente 5,0mm.
• Altura do pacote: Aproximadamente 3,2mm (excluindo os terminais).
• Espaçamento dos terminais: Medido onde os terminais emergem do pacote, tipicamente 2,54mm (0,1").
• É permitida uma protuberância máxima de resina de 1,5mm sob o flange.

Nota:Todas as dimensões estão em milímetros com uma tolerância padrão de ±0,25mm, salvo especificação em contrário. Os projetistas devem consultar o desenho mecânico detalhado para um planejamento preciso da área ocupada e posicionamento.

5.2 Identificação da Polaridade

O fototransistor possui dois terminais: o Coletor e o Emissor. O terminal mais longo é tipicamente o Coletor. O pacote também pode ter um lado achatado ou outra marcação próxima ao terminal do Coletor. A polaridade correta é essencial para a operação adequada do circuito e aplicação da tensão de polarização correta.

6. Diretrizes de Soldagem e Montagem

• Soldagem Manual:Use um ferro de solda com controle de temperatura. Limite o tempo de soldagem para evitar transferência excessiva de calor para o chip semicondutor.
• Soldagem por Onda/Refluxo:Aderir estritamente ao valor máximo: 260°C por 5 segundos, medido a 1,6mm do corpo do pacote. Exceder isso pode danificar as ligações internas dos fios ou o pacote de epóxi.
• Limpeza:Use solventes apropriados compatíveis com a resina epóxi transparente escura. Evite limpeza ultrassônica, a menos que seja verificada como segura para o pacote.
• Armazenamento:Armazene em um ambiente seco e antiestático dentro da faixa de temperatura especificada de -55°C a +100°C para evitar absorção de umidade (que pode causar "popcorning" durante o refluxo) e danos por descarga eletrostática.

7. Sugestões de Aplicação e Considerações de Projeto

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Detecção e Interrupção de Objetos:Usado em interruptores ópticos do tipo fenda (ex.: detecção de papel em impressoras, sensoriamento de fim de curso em impressoras 3D).
• Sensoriamento de Proximidade:Emparelhado com um LED infravermelho para detecção sem contato de objetos.
• Codificadores:Detecção de padrões em discos rotativos para medição de velocidade ou posição.
• Controle Industrial:Sensoriamento em equipamentos automatizados onde é necessária imunidade à luz ambiente.
• Eletrônicos de Consumo:Receptores de controle remoto por IR (embora frequentemente usados com circuitos integrados dedicados, um fototransistor pode formar o estágio frontal).

7.2 Considerações Críticas de Projeto

• Circuito de Polarização:O fototransistor pode ser usado em configuração de chave (emissor comum) ou seguidor (seguidor de emissor). A configuração de emissor comum fornece ganho de tensão e é comum para comutação digital. Um resistor de pull-up (R_L) é necessário.
• Selecionando R_L:O valor do resistor de carga envolve um compromisso. Um R_Lmaior fornece uma excursão de tensão de saída maior para uma dada fotocorrente, mas reduz a velocidade de comutação (ver Fig. 3). Escolha com base na velocidade e nível de sinal necessários.
• Rejeição de Luz Ambiente:Embora o pacote escuro ajude, fontes fortes de IR ambiente (luz solar, lâmpadas incandescentes) podem saturar o sensor. Considere usar filtros ópticos, modular a fonte de IR e usar técnicas de detecção síncrona.
• Compensação de Temperatura:Para sensoriamento analógico de precisão, a variação da corrente de escuro e da sensibilidade com a temperatura (Figs. 1 & 2) deve ser compensada no circuito de condicionamento de sinal.
• Ruído Elétrico:O nó de alta impedância no coletor pode ser suscetível a interferência eletromagnética (EMI). Mantenha as trilhas curtas, use blindagem se necessário e considere adicionar um capacitor pequeno (ex.: 10-100pF) em paralelo com R_Lpara filtrar ruído de alta frequência, atentando-se ao seu impacto na velocidade.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a um fotodiodo básico, um fototransistor como o LTR-1650D fornece ganho interno, produzindo uma corrente de saída muito maior para a mesma entrada de luz, o que frequentemente elimina a necessidade de um amplificador externo adicional em aplicações simples de comutação. Comparado a um transistor foto-Darlington, ele oferece tempos de resposta mais rápidos (µs vs. dezenas/centenas de µs), mas ganho menor. O sistema de classificação específico para I_C(ON)permite um projeto de sistema mais preciso em comparação com dispositivos com uma única especificação ampla. O pacote transparente escuro é um diferencial chave em relação aos pacotes transparentes, oferecendo supressão de luz visível integrada.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas nos Parâmetros Técnicos)

9.1 O que significa a especificação "BIN" e como escolher?

O código BIN (de A a F) especifica a faixa garantida da sensibilidade do fototransistor (I_C(ON)). Escolha um bin com base na corrente de saída necessária para o seu nível específico de irradiância. Para aplicações de maior sensibilidade/baixo nível de luz, selecione um bin com letra mais alta (ex.: E ou F). Para aplicações sensíveis ao custo onde alto ganho não é crítico, um bin mais baixo (A ou B) pode ser suficiente.

9.2 Por que a corrente de escuro é importante?

A corrente de escuro (I_CEO) é o sinal de saída presente quando nenhuma luz incide. Ela define o limite inferior da luz detectável e atua como uma fonte de ruído. Em aplicações de comutação digital, o limiar de detecção do circuito deve ser ajustado acima da corrente de escuro máxima esperada, especialmente em altas temperaturas, onde ela aumenta significativamente.

9.3 Como a resistência de carga afeta o desempenho?

A resistência de carga (R_L) afeta diretamente dois parâmetros-chave:Tensão de Saída(V_out= I_C* R_L) eVelocidade de Comutação(ver Fig. 3). Você deve selecionar R_Lpara alcançar a excursão de tensão necessária para seus níveis lógicos ou entrada do ADC, garantindo também que os tempos de subida/descida sejam rápidos o suficiente para a taxa de dados ou tempo de resposta da sua aplicação.

9.4 Posso usar este componente sob luz solar intensa?

O pacote transparente escuro fornece alguma rejeição, mas a luz solar direta contém radiação infravermelha intensa que pode facilmente saturar o sensor. Para uso externo, medidas adicionais são obrigatórias: sombreamento físico (capas), filtros ópticos de banda estreita centrados no comprimento de onda da sua fonte de IR (ex.: 940nm) e, preferencialmente, usar uma fonte de IR modulada com detecção síncrona no circuito receptor para distinguir o sinal do componente DC constante da luz solar.

10. Estudo de Caso Prático de Projeto e Uso

Cenário: Projetando um Sensor de Detecção de Papel para uma Impressora.

1. Seleção:Escolha um bin de sensibilidade média (ex.: Bin C ou D) para garantir acionamento confiável sem ser excessivamente sensível a poeira ou reflexos.
2. Configuração do Circuito:Use uma configuração de chave de emissor comum. Emparelhe o LTR-1650D com um LED infravermelho (ex.: 940nm) posicionado no lado oposto do caminho do papel.
3. Dimensionamento dos Componentes:Selecione um valor de R_L(ex.: 4,7kΩ) que forneça uma saída em nível lógico baixo (próximo de 0V) quando o papel estiver presente (bloqueando a luz, I_Cé baixa) e uma saída em nível lógico alto (próximo de V_CC) quando o papel estiver ausente (luz presente, I_Cé alta). Verifique se os níveis de tensão são compatíveis com os pinos de entrada do microcontrolador.
4. Imunidade a Ruído:Adicione um capacitor de 10nF em paralelo com R_Lpara suprimir ruído elétrico dos motores da impressora. A velocidade resultante (~100µs) ainda é muito mais rápida que o movimento mecânico do papel.
5. Alinhamento:Use o diagrama de sensibilidade (Fig. 5) para orientar o projeto mecânico. Certifique-se de que o LED IR e o fototransistor estejam alinhados dentro do cone de alta sensibilidade (ex.: ±20°) para maximizar a força do sinal.
6. Testes:Teste o sensor sob as piores condições: alta temperatura (para verificar o aumento da corrente de escuro) e com vários tipos de papel (alguns podem ser mais translúcidos ao IR).

11. Princípio de Funcionamento

Um fototransistor é fundamentalmente um transistor bipolar de junção (BJT) onde a corrente de base é gerada pela luz em vez de ser fornecida eletricamente. Fótons incidentes com energia maior que a banda proibida do semicondutor são absorvidos na região da junção base-coletor, criando pares elétron-lacuna. O campo elétrico na junção coletor-base polarizada reversamente varre esses portadores, gerando efetivamente uma fotocorrente que atua como a corrente de base (I_B). Esta corrente de base fotogerada é então amplificada pelo ganho de corrente do transistor (h_FE), resultando em uma corrente de coletor muito maior (I_C= h_FE* I_B). Esta amplificação interna é a principal vantagem sobre um simples fotodiodo. O material do pacote transparente escuro atua como um filtro passa-longa, permitindo a passagem de comprimentos de onda infravermelhos (como 940nm) enquanto absorve os comprimentos de onda visíveis mais curtos, melhorando assim a relação sinal-ruído em ambientes com luz visível.

12. Tendências e Desenvolvimentos da Indústria

O setor de optoeletrônica continua a evoluir. Embora fototransistores discretos como o LTR-1650D permaneçam vitais para aplicações de alto volume, sensíveis ao custo ou com desempenho específico, tendências mais amplas incluem:

• Integração:Aumento da integração do fotodetector com amplificadores de estágio frontal analógico, conversores analógico-digitais (ADCs) e lógica digital em soluções de chip único (ex.: sensores de luz ambiente, módulos de sensor de proximidade). Estes oferecem saída digital calibrada, menor área ocupada e projeto simplificado, mas podem ter um custo unitário mais alto.
• Miniaturização:Demanda por tamanhos de pacote menores (ex.: pacotes em escala de chip) para caber em eletrônicos de consumo cada vez menores.
• Desempenho Aprimorado:Desenvolvimento de dispositivos com correntes de escuro mais baixas, tempos de resposta mais rápidos (na faixa de nanossegundos) e maior sensibilidade para aplicações mais exigentes, como LiDAR e comunicação de alta velocidade.
• Especialização:Sensores personalizados para comprimentos de onda específicos (ex.: para monitoramento de frequência cardíaca, sensoriamento de gases) ou com filtros espectrais integrados.

Os fototransistores discretos provavelmente manterão sua posição em aplicações onde sua simplicidade, robustez, baixo custo e características de desempenho específicas (como o pacote escuro do LTR-1650D) fornecem uma solução ideal.