Ficha Técnica do Fotodíodo de Silício PIN PD438B com Semi-Lente de 4.8mm - Diâmetro 4.8mm - Lente Preta - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD438B é um fotodíodo de silício PIN de alto desempenho, projetado para aplicações que exigem resposta rápida e alta sensibilidade à luz infravermelha. Está alojado num encapsulamento plástico cilíndrico compacto de visão lateral, com um diâmetro de 4.8mm. Uma característica fundamental deste dispositivo é o seu encapsulamento de epóxi, formulado para funcionar como um filtro de infravermelhos (IR) integrado. Este filtro incorporado está espectralmente adaptado aos emissores IR comuns, melhorando a relação sinal-ruído ao passar seletivamente o comprimento de onda IR alvo, enquanto atenua a luz visível indesejada.

As vantagens principais do PD438B incluem os seus tempos de resposta rápidos, alta fotossensibilidade e baixa capacitância de junção, tornando-o adequado para circuitos de deteção de alta velocidade. O dispositivo é construído com materiais sem chumbo (Pb-free) e está em conformidade com regulamentações ambientais relevantes, como RoHS e REACH da UE, garantindo a sua adequação para a fabricação eletrónica moderna.

Os mercados e aplicações principais para este fotodíodo são a eletrónica de consumo e a deteção industrial. É ideal para uso como fotodetector de alta velocidade em sistemas como câmaras, gravadores de vídeo e câmaras de vídeo. As suas características também o tornam um componente fiável em vários interruptores optoeletrónicos e módulos de sensoriamento onde a deteção precisa de sinais IR é crítica.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

O dispositivo foi projetado para funcionar de forma fiável dentro de limites ambientais e elétricos especificados. Exceder estas Especificações Máximas Absolutas pode causar danos permanentes.

• Tensão Reversa (VR):32 V. Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada em polarização reversa nos terminais do fotodíodo.
• Dissipação de Potência (Pd):150 mW. Esta especificação considera a potência total que o dispositivo pode suportar, principalmente da corrente de fuga reversa sob polarização.
• Temperatura de Operação (Topr):-40°C a +85°C. A gama de desempenho garantida para o fotodíodo durante operação normal.
• Temperatura de Armazenamento (Tstg):-40°C a +100°C. A gama de temperatura segura para o dispositivo quando não está energizado.
• Temperatura de Soldagem (Tsol):260°C por uma duração máxima de 5 segundos. Isto define as restrições do perfil de soldagem por refluxo para evitar danos no encapsulamento.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros, medidos a uma temperatura padrão de 25°C, definem o desempenho central de fotodeteção do PD438B.

• Largura de Banda Espectral (λ0.5):400 nm a 1100 nm. Define a gama de comprimentos de onda onde a responsividade do fotodíodo é pelo menos metade do seu valor de pico. Confirma sensibilidade desde a luz azul visível até ao infravermelho próximo.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λp):940 nm (Típico). O fotodíodo é mais sensível à luz infravermelha neste comprimento de onda, que é padrão para muitos LEDs IR e sistemas de controlo remoto.
• Tensão em Circuito Aberto (VOC):0.35 V (Típico) sob uma irradiância (Ee) de 5 mW/cm² a 940nm. Esta é a tensão gerada pelo fotodíodo em modo fotovoltaico (sem polarização externa) sob condições de luz especificadas.
• Corrente de Curto-Circuito (ISC):18 µA (Típico) sob 1 mW/cm² a 940nm. Esta é a fotocorrente gerada quando os terminais do díodo estão em curto-circuito, representando a sua saída de corrente máxima para um determinado nível de luz.
• Corrente Luminosa Reversa (IL):18 µA (Típico) a VR=5V sob 1 mW/cm² a 940nm. Esta é a fotocorrente medida quando o díodo está em polarização reversa, que é o modo de operação padrão para resposta linear e de alta velocidade.
• Corrente de Escuro (Id):5 nA (Típico), 30 nA (Máx.) a VR=10V em completa escuridão. Esta é a pequena corrente de fuga que flui mesmo quando não há luz presente. Uma baixa corrente de escuro é crucial para detetar sinais de luz fracos.
• Tensão de Ruptura Reversa (BVR):170 V (Típico), 32 V (Mín.). A tensão à qual a corrente reversa aumenta abruptamente. A tensão reversa de operação deve ser sempre mantida bem abaixo deste valor.
• Capacitância Total (Ct):25 pF (Típico) a VR=3V e 1 MHz. Esta capacitância de junção impacta diretamente a velocidade do dispositivo; uma capacitância mais baixa permite tempos de resposta mais rápidos.
• Tempo de Subida/Descida (tr/tf):50 ns / 50 ns (Típico) com VR=10V e uma resistência de carga (RL) de 1 kΩ. Estes parâmetros especificam a rapidez com que a corrente de saída do fotodíodo pode mudar em resposta a um pulso de luz, definindo a sua capacidade de alta velocidade.

As tolerâncias para parâmetros-chave são especificadas: Intensidade Luminosa (±10%), Comprimento de Onda Dominante (±1nm) e Tensão Direta (±0.1V), garantindo consistência nos lotes de produção.

3. 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 os projetistas de circuitos.

3.1 Sensibilidade Espectral

A curva de resposta espectral mostra a sensibilidade relativa do fotodíodo em diferentes comprimentos de onda. Terá um pico acentuado por volta de 940 nm devido ao epóxi integrado de filtragem IR, com sensibilidade significativamente reduzida no espectro visível (400-700 nm). Esta curva é crítica para garantir que o detetor está adaptado ao comprimento de onda do emissor.

3.2 Corrente de Escuro vs. Temperatura Ambiente

Esta curva mostra tipicamente um aumento exponencial da corrente de escuro (Id) à medida que a temperatura ambiente sobe. Os projetistas devem considerar este aumento do piso de ruído em aplicações de alta temperatura ou ao detetar sinais de luz muito fracos.

3.3 Corrente Luminosa Reversa vs. Irradiância (Ee)

Este gráfico demonstra a relação linear entre a potência da luz incidente (irradiância) e a fotocorrente gerada (IL) quando o díodo está em polarização reversa. A linearidade é uma característica fundamental dos fotodíodos PIN, tornando-os adequados para aplicações de medição de luz.

3.4 Capacitância Terminal vs. Tensão Reversa

A capacitância de junção (Ct) diminui à medida que a tensão de polarização reversa (VR) aumenta. Esta curva permite aos projetistas selecionar uma tensão de polarização de operação que otimize o compromisso entre velocidade (capacitância mais baixa com tensão mais alta) e consumo de energia/calor.

3.5 Tempo de Resposta vs. Resistência de Carga

O tempo de subida/descida (tr/tf) é influenciado pela constante de tempo RC formada pela capacitância de junção do fotodíodo e pela resistência de carga externa (RL). Esta curva mostra como o tempo de resposta aumenta com resistências de carga maiores, orientando a seleção de RL para a velocidade desejada em circuitos de amplificador de transimpedância.

3.6 Dissipação de Potência vs. Temperatura Ambiente

Esta curva de derating indica a dissipação de potência máxima permitida em função da temperatura ambiente. À medida que a temperatura aumenta, a potência máxima segura que o dispositivo pode suportar diminui linearmente, o que é vital para a gestão térmica no projeto do sistema.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

4.1 Dimensões do Encapsulamento

O PD438B está alojado num encapsulamento cilíndrico de visão lateral com um diâmetro nominal de 4.8mm. O desenho mecânico detalhado na ficha técnica fornece todas as dimensões críticas, incluindo diâmetro do corpo, comprimento, espaçamento dos terminais e diâmetro dos terminais. Uma tolerância padrão de ±0.25mm aplica-se a todas as dimensões do encapsulamento, salvo indicação em contrário. A configuração de visão lateral é projetada para aplicações onde o caminho da luz é paralelo à superfície da PCB.

4.2 Identificação da Polaridade

O fotodíodo é um componente polarizado. O cátodo é tipicamente identificado por um terminal mais longo, um ponto plano no encapsulamento ou uma marcação específica. O diagrama do encapsulamento na ficha técnica indica claramente as ligações do ânodo e do cátodo, que devem ser observadas durante a montagem para garantir a polarização correta (polarização reversa para operação normal).

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

Para manter a fiabilidade e prevenir danos durante o processo de montagem, devem ser seguidas condições específicas de soldagem.

• Soldagem por Refluxo:O componente é adequado para montagem superficial usando técnicas de soldagem por refluxo. A temperatura máxima de soldagem não deve exceder 260°C, e o tempo acima desta temperatura deve ser limitado a 5 segundos ou menos para evitar danos térmicos no encapsulamento de epóxi e no chip semicondutor.
• Soldagem Manual:Se for necessária soldagem manual, deve ser usado um ferro de soldar com controlo de temperatura. O tempo de contacto com os terminais deve ser minimizado, e recomenda-se a dissipação de calor do terminal entre a junta e o corpo do encapsulamento.
• Condições de Armazenamento:Os dispositivos devem ser armazenados nas suas embalagens originais de barreira à humidade, num ambiente controlado dentro da gama de temperatura de armazenamento de -40°C a +100°C e com baixa humidade para prevenir a oxidação dos terminais.

6. Informações de Embalagem e Encomenda

6.1 Especificação da Embalagem

O fluxo de embalagem padrão para o PD438B é o seguinte: 500 peças são embaladas num saco antiestático. Seis destes sacos são colocados numa caixa de cartão interior. Finalmente, dez caixas interiores são embaladas numa caixa de envio principal (exterior), resultando num total de 30.000 peças por caixa principal.

6.2 Especificação da Etiqueta

A etiqueta na embalagem contém vários identificadores-chave:

• CPN:Número de Produto do Cliente (se atribuído).
• P/N:O número de produto do fabricante (PD438B).
• QTY:A quantidade de dispositivos na embalagem.
• CAT, HUE, REF:Códigos que representam, respetivamente, o nível de intensidade luminosa, o nível de comprimento de onda dominante e o nível de tensão direta, para produtos que são classificados.
• LOT No:O número de lote de fabrico rastreável.

Esta rotulagem garante a rastreabilidade e o manuseamento correto do material em toda a cadeia de abastecimento.

7. Notas de Aplicação e Considerações de Projeto

7.1 Circuitos de Aplicação Típicos

O PD438B é mais comumente usado numa de duas configurações de circuito:

1. Modo Fotovoltaico (Polarização Zero):O fotodíodo é ligado diretamente a uma carga de alta impedância (como a entrada de um amplificador operacional). Este modo oferece corrente de escuro e ruído mínimos, mas tem resposta mais lenta e menor linearidade. É adequado para medição de luz de baixa velocidade e precisão.
2. Modo Fotocondutor (Polarização Reversa):O fotodíodo é ligado com o cátodo a uma tensão positiva e o ânodo a um terra virtual (por exemplo, a entrada inversora de um amplificador de transimpedância). Este é o modo recomendado para o PD438B para aproveitar as suas capacidades de alta velocidade. A polarização reversa reduz a capacitância de junção (aumentando a velocidade) e melhora a linearidade. O valor da resistência de realimentação no amplificador de transimpedância define o ganho (Vout = Iphoto * Rfeedback).

7.2 Considerações de Projeto

• Seleção da Tensão de Polarização:Escolha uma tensão de polarização reversa (por exemplo, 5V a 10V) que proporcione um bom compromisso entre velocidade (capacitância mais baixa) e consumo de energia. Não exceda a tensão reversa máxima de 32V.
• Seleção do Amplificador:Para aplicações de alta velocidade, combine o PD438B com um amplificador operacional de baixo ruído e alta largura de banda configurado como um amplificador de transimpedância. A corrente de polarização de entrada e o ruído de tensão do amplificador devem ser baixos para não degradar o sinal do fotodíodo.
• Layout da PCB:Mantenha o fotodíodo e o seu amplificador associado próximos para minimizar a capacitância parasita e a captação de ruído no nó sensível de alta impedância. Use um anel de guarda ligado a um ponto de baixa impedância (como a saída do amplificador ou um plano de terra) em torno da ligação do ânodo do fotodíodo para reduzir correntes de fuga.
• Alinhamento Óptico:Garanta o alinhamento mecânico adequado entre o emissor IR e o fotodíodo. O encapsulamento de visão lateral é projetado para isso. Considere usar um tubo ou barreira para bloquear a luz ambiente e o crosstalk.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O PD438B diferencia-se no mercado através de várias características-chave:

• Filtro IR Integrado:O próprio encapsulamento de epóxi atua como filtro, eliminando a necessidade de um componente de filtro separado, reduzindo a contagem de peças, o custo e simplificando a montagem.
• Encapsulamento de Visão Lateral:O fator de forma cilíndrico de visão lateral é ideal para aplicações onde o caminho da luz corre paralelo à PCB, como em sensores de fenda, sistemas de deteção de borda e certos tipos de codificadores.
• Desempenho Equilibrado:Oferece uma combinação bem equilibrada de velocidade (50 ns), sensibilidade (18 µA a 1 mW/cm²) e baixa corrente de escuro, tornando-o uma escolha versátil para uma ampla gama de tarefas de deteção IR de média a alta velocidade.
• Conformidade Ambiental:A sua construção sem chumbo e conformidade com RoHS e REACH tornam-no adequado para mercados globais com regulamentações ambientais rigorosas.

Comparado com fotodíodos maiores, oferece uma pegada mais pequena. Comparado com fotodíodos sem filtro, proporciona uma rejeição superior do ruído da luz visível ambiente.

9. Perguntas Frequentes (FAQ)

Q1: Qual é a finalidade da lente de epóxi preta?

A1: O epóxi preto não é apenas para aparência; é formulado para ser um filtro de infravermelhos eficaz. Transmite o comprimento de onda IR alvo (com pico a 940 nm) enquanto absorve grande parte da luz visível, reduzindo significativamente a interferência de fontes de luz ambiente, como iluminação de sala.

Q2: Devo operar o PD438B com ou sem tensão de polarização reversa?

A2: Para operação de alta velocidade (como indicado pelo seu tempo de subida de 50 ns), é fortemente recomendado operar o PD438B em modo fotocondutor com polarização reversa, tipicamente entre 5V e 10V. Isto reduz a capacitância de junção e melhora a linearidade e a velocidade.

Q3: Como converto a fotocorrente num sinal de tensão utilizável?

A3: O método mais comum e eficaz é usar um circuito de amplificador de transimpedância (TIA). O fotodíodo liga-se entre a entrada inversora e a saída de um amplificador operacional, com uma resistência de realimentação a determinar o ganho (Vout = -Iphoto * Rf). Um pequeno condensador de realimentação é frequentemente adicionado em paralelo com a resistência para estabilizar o circuito e limitar a largura de banda.

Q4: Qual é o significado do parâmetro "Corrente de Escuro"?

A4: A corrente de escuro é a pequena corrente que flui através do fotodíodo quando está em completa escuridão e sob polarização reversa. Atua como uma fonte de ruído. Uma corrente de escuro mais baixa (5 nA típico para o PD438B) significa que o dispositivo pode detetar sinais de luz mais fracos sem que o sinal seja mascarado pelo seu próprio ruído.

Q5: Este fotodíodo pode ser usado para deteção de luz visível?

A5: Embora a sua gama espectral comece em 400 nm (violeta), a sua sensibilidade no espectro visível é grandemente atenuada pela lente de epóxi de filtragem IR. A sua sensibilidade de pico está firmemente no infravermelho a 940 nm. Para deteção primária de luz visível, um fotodíodo sem um encapsulamento de filtragem IR seria mais apropriado.

10. Princípios de Funcionamento

Um fotodíodo PIN é um dispositivo semicondutor com uma região intrínseca (I) larga e levemente dopada, intercalada entre uma região do tipo P e uma do tipo N. Quando fotões com energia superior ao bandgap do semicondutor atingem o dispositivo, criam pares eletrão-lacuna na região intrínseca. Sob a influência de um campo elétrico externo de polarização reversa, estes portadores de carga são separados, gerando uma fotocorrente que é proporcional à intensidade da luz incidente. A região intrínseca larga permite várias vantagens: cria uma região de depleção maior para absorção de fotões (aumentando a sensibilidade), reduz a capacitância de junção (aumentando a velocidade) e permite operação a tensões reversas mais altas. O PD438B utiliza silício, que tem um bandgap adequado para detetar luz desde o espectro visível até ao infravermelho próximo.

11. Isenção de Responsabilidade e Notas de Utilização

A informação contida neste documento técnico está sujeita a alterações sem aviso prévio. Os gráficos e valores típicos fornecidos são para orientação de projeto e não representam especificações garantidas. Ao implementar este componente, os projetistas devem aderir estritamente às Especificações Máximas Absolutas para evitar falhas do dispositivo. O fabricante não assume qualquer responsabilidade por danos resultantes do uso deste produto fora das suas condições de operação especificadas. Este produto não se destina a ser usado em aplicações críticas para a segurança, de suporte à vida, militares, automóveis ou aeroespaciais sem consulta prévia e qualificação específica.