Ficha Técnica do Fotodíodo de Silício PIN Semi-Lente PD438C/S46 de 4.8mm - Diâmetro 4.8mm - Tensão Reversa 32V - Sensibilidade de Pico 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD438C/S46 é um fotodíodo de silício PIN de alto desempenho, projetado para aplicações que exigem resposta rápida e alta sensibilidade à luz infravermelha. Ele é acondicionado em um encapsulamento plástico cilíndrico compacto de visão lateral, com diâmetro de 4.8mm. Uma característica fundamental deste dispositivo é que a própria resina do encapsulamento atua como um filtro infravermelho (IR) integrado, que é espectralmente compatível com emissores IR comuns, melhorando seu desempenho em sistemas de detecção IR ao filtrar a luz visível indesejada.

Este fotodíodo é caracterizado por seus tempos de resposta rápidos, alta fotossensibilidade e baixa capacitância de junção, tornando-o adequado para detecção óptica de alta velocidade. É construído com materiais isentos de chumbo e está em conformidade com as regulamentações ambientais pertinentes.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

O dispositivo é projetado para operar de forma confiável dentro dos limites especificados. Exceder essas especificações pode causar danos permanentes.

• Tensão Reversa (V_R):32 V - A tensão máxima que pode ser aplicada em polarização reversa nos terminais do fotodíodo.
• Dissipação de Potência (P_d):150 mW - A potência máxima que o dispositivo pode dissipar, principalmente na forma de calor, sob condições especificadas.
• Temperatura de Operação (T_opr):-40°C a +85°C - A faixa de temperatura ambiente na qual o dispositivo tem garantia de atender às suas especificações publicadas.
• Temperatura de Armazenamento (T_stg):-40°C a +100°C - A faixa de temperatura para armazenamento seguro quando o dispositivo não está energizado.
• Temperatura de Soldagem (T_sol):260°C por uma duração não superior a 5 segundos, o que é típico para processos de soldagem por refluxo isentos de chumbo.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Estes parâmetros são medidos a uma temperatura ambiente (T_a) de 25°C e definem o desempenho principal do fotodíodo.

• Largura de Banda Espectral (λ_0.5):840 nm a 1100 nm. Isso define a faixa de comprimentos de onda onde a responsividade do fotodíodo é pelo menos metade do seu valor de pico. É sensível principalmente na região do infravermelho próximo.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λ_p):940 nm (Típico). O comprimento de onda da luz no qual o fotodíodo é mais sensível. Isso corresponde ao comprimento de onda de emissão comum de muitos LEDs IR.
• Tensão de Circuito Aberto (V_OC):0.35 V (Típico) quando iluminado com uma irradiância (E_e) de 5 mW/cm² a 940nm. Esta é a tensão gerada pelo fotodíodo sem nenhuma carga externa.
• Corrente de Curto-Circuito (I_SC):18 µA (Típico) a E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm. Esta é a fotocorrente quando a saída está em curto-circuito.
• Corrente Luminosa Reversa (I_L):18 µA (Típico, Mín 10.2 µA) a E_e= 1 mW/cm², λ_p=940nm, e uma tensão de polarização reversa (V_R) de 5V. Este é o parâmetro operacional principal no modo fotocondutivo.
• Corrente de Escuro (I_d):5 nA (Típico, Máx 30 nA) a V_R= 10V em completa escuridão. Esta é a pequena corrente de fuga que flui mesmo quando não há luz, um parâmetro chave para a relação sinal-ruído.
• Tensão de Ruptura Reversa (BV_R):Mín 32V, Típ 170V, medida a uma corrente reversa de 100 µA. Isso indica a tensão na qual a junção entra em ruptura.
• Capacitância Total (C_t):18 pF (Típico) a V_R= 3V e uma frequência de teste de 1 MHz. Uma capacitância mais baixa permite tempos de resposta mais rápidos.
• Tempo de Subida/Descida (t_r/t_f):50 ns / 50 ns (Típico) com V_R= 10V e uma resistência de carga (R_L) de 1 kΩ. Isso especifica a velocidade da resposta do fotodíodo a um pulso de luz.

As tolerâncias para os parâmetros principais são especificadas como: Intensidade Luminosa ±10%, Comprimento de Onda Dominante ±1nm, Tensão Direta ±0.1V.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que ilustram o desempenho sob condições variáveis. Estas são essenciais para engenheiros de projeto.

3.1 Sensibilidade Espectral

Uma curva que traça a sensibilidade relativa em função do comprimento de onda. Ela confirma a sensibilidade de pico em aproximadamente 940nm e mostra a resposta espectral diminuindo em direção aos limites da faixa de 840-1100nm. A lente de epóxi integrada atua como um filtro, atenuando a resposta fora da banda IR alvo.

3.2 Corrente de Escuro vs. Temperatura Ambiente

Esta curva normalmente mostra que a corrente de escuro (I_d) aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura. Compreender esta relação é fundamental para aplicações que operam em uma ampla faixa de temperatura, pois define o limite inferior da luz detectável (piso de ruído).

3.3 Corrente Luminosa Reversa vs. Irradiância (E_e)

Este gráfico demonstra a relação linear entre a fotocorrente gerada (I_L) e a densidade de potência da luz incidente. O fotodíodo opera em uma região altamente linear sob as condições especificadas, o que é vital para aplicações de medição analógica de luz.

3.4 Capacitância Terminal vs. Tensão Reversa

A capacitância da junção (C_t) diminui com o aumento da tensão de polarização reversa. Esta é uma propriedade fundamental das junções PN. Os projetistas podem usar uma tensão de polarização mais alta para reduzir a capacitância e, assim, melhorar a largura de banda e a velocidade de resposta, em troca de um ligeiro aumento na corrente de escuro.

3.5 Tempo de Resposta vs. Resistência de Carga

Esta curva mostra como o tempo de subida/descida é afetado pelo valor do resistor de carga externo (R_L). Um R_L menor geralmente resulta em resposta mais rápida, mas produz uma excursão de tensão de saída menor. Este gráfico ajuda a otimizar o compromisso entre velocidade e amplitude no projeto do circuito.

3.6 Dissipação de Potência vs. Temperatura Ambiente

Ilustra a derating da dissipação de potência máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta. Em temperaturas acima de 25°C, o dispositivo não pode dissipar os 150mW completos, e a potência máxima deve ser reduzida linearmente até zero na temperatura máxima da junção.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

4.1 Dimensões do Encapsulamento

O PD438C/S46 é encapsulado em um pacote plástico cilíndrico de visão lateral com diâmetro nominal de 4.8mm. O desenho dimensional especifica o diâmetro do corpo, comprimento, espaçamento dos terminais e diâmetro dos terminais. Uma nota crítica especifica que todas as tolerâncias dimensionais são de ±0.25mm, salvo indicação em contrário no desenho. A configuração de visão lateral é ideal para aplicações onde o caminho da luz é paralelo à superfície da PCB.

4.2 Identificação da Polaridade

A polaridade é normalmente indicada no encapsulamento ou no desenho. Para um fotodíodo, o cátodo é geralmente conectado à tensão de alimentação positiva quando operado em polarização reversa (modo fotocondutivo), e o ânodo é conectado ao terra do circuito ou à entrada de um amplificador de transimpedância. A polaridade correta é essencial para o funcionamento adequado.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O dispositivo é adequado para processos padrão de montagem em superfície.

• Soldagem por Refluxo:A temperatura máxima recomendada para soldagem é de 260°C. O tempo em que os terminais do dispositivo são expostos a temperaturas iguais ou superiores a este pico não deve exceder 5 segundos. Isso é consistente com perfis típicos de refluxo isentos de chumbo (por exemplo, IPC/JEDEC J-STD-020).
• Soldagem Manual:Se a soldagem manual for necessária, deve ser usado um ferro de soldar com controle de temperatura. O tempo de contato por terminal deve ser minimizado para evitar a transferência excessiva de calor para o chip semicondutor sensível.
• Limpeza:Processos padrão de limpeza de PCB podem ser usados, mas a compatibilidade dos agentes de limpeza com o material do encapsulamento plástico deve ser verificada.
• Condições de Armazenamento:Os dispositivos devem ser armazenados em suas embalagens originais à prova de umidade, em temperaturas entre -40°C e +100°C e com baixa umidade, para evitar a oxidação dos terminais e a absorção de umidade pelo encapsulamento.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Especificação da Embalagem

O fluxo de embalagem padrão é o seguinte: 500 peças são embaladas em um saco. Cinco sacos são então colocados em uma caixa interna. Finalmente, dez caixas internas são embaladas em uma caixa mestra (externa). Isso resulta em um total de 25.000 peças por caixa mestra.

6.2 Especificação da Etiqueta

As etiquetas na embalagem contêm informações-chave para rastreabilidade e identificação:

• CPN:Número do Produto do Cliente (se atribuído).
• P/N:Número do Produto do Fabricante (por exemplo, PD438C/S46).
• QTY:Quantidade de dispositivos na embalagem.
• CAT, HUE, REF:Códigos para classificação de intensidade luminosa, classificação de comprimento de onda dominante e classificação de tensão direta, respectivamente, indicando a seleção por desempenho (binning).
• LOT No:Número do lote de fabricação para rastreabilidade.
• REF:Um número de referência para identificar a etiqueta.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Fotodetector de Alta Velocidade:Ideal para enlaces de dados ópticos, codificadores e detecção de pulsos onde o tempo de resposta de 50ns é uma vantagem fundamental.
• Aplicações em Câmeras:Pode ser usado em sistemas de foco automático, fotometria ou como detector de presença IR.
• Optointerruptor:Usado em detecção de objetos, sensores de fenda e interruptores de limite. O filtro IR integrado ajuda a rejeitar interferência da luz ambiente.
• VCRs e Câmeras de Vídeo:Historicamente usado em sensores de contador de fita, receptores de controle remoto ou outras funções internas de sensoriamento óptico.

7.2 Considerações de Projeto

• Tensão de Polarização:A operação no modo fotocondutivo (com polarização reversa) é recomendada para operação de alta velocidade e linear. Uma polarização de 5V a 10V é típica, equilibrando velocidade (capacitância mais baixa) e ruído (corrente de escuro mais baixa).
• Topologia do Circuito:Para melhor velocidade e linearidade, use um amplificador de transimpedância (TIA) para converter a fotocorrente em uma tensão. O resistor e capacitor de realimentação no TIA devem ser escolhidos com base na largura de banda desejada e na capacitância do fotodíodo.
• Alinhamento Óptico:O encapsulamento de visão lateral requer um projeto mecânico cuidadoso para garantir o alinhamento adequado com a fonte de luz, que muitas vezes também é um LED IR de visão lateral.
• Rejeição de Luz Ambiente:Embora o epóxi atue como um filtro IR, para ambientes com fontes IR fortes (por exemplo, luz solar), técnicas adicionais de filtragem óptica ou modulação/demodulação podem ser necessárias.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

O PD438C/S46 oferece várias vantagens distintas em sua classe:

• Filtro IR Integrado:Ao contrário de muitos fotodiodos básicos que exigem um filtro separado, a resina do encapsulamento é formulada para filtrar a luz, simplificando a montagem e reduzindo a contagem de componentes.
• Encapsulamento de Visão Lateral:O encapsulamento cilíndrico de visão lateral de 4.8mm é um fator de forma específico otimizado para aplicações onde o caminho da luz corre paralelo à PCB, oferecendo um campo de visão compacto e direcionado.
• Desempenho Equilibrado:Ele fornece um bom equilíbrio entre velocidade (50ns), sensibilidade (18 µA a 1 mW/cm²) e corrente de escuro (5 nA), tornando-o uma escolha versátil para detecção IR de propósito geral.
• Especificações Robustas:Com uma tensão reversa nominal de 32V e uma ampla faixa de temperatura de operação (-40°C a +85°C), é adequado para ambientes industriais e automotivos (para aplicações não críticas de segurança, conforme o aviso).

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é a diferença entre operar no modo fotovoltaico (polarização zero) e fotocondutivo (polarização reversa)?

R: No modo fotovoltaico (V_R=0V), o fotodíodo gera sua própria tensão (veja V_OC). Ele tem corrente de escuro muito baixa, mas capacitância mais alta e resposta mais lenta. O modo fotocondutivo (aplicando V_R) amplia a região de depleção, diminuindo a capacitância e acelerando a resposta (veja t_r/t_f), ao custo de uma pequena corrente de escuro constante (I_d). Para detecção de alta velocidade, o modo fotocondutivo é preferido.

P: Como interpreto o parâmetro "Corrente Luminosa Reversa (I_L)"?

R: Este é o parâmetro mais útil para o projeto de circuitos. Ele informa que, sob uma condição de luz específica (1 mW/cm² a 940nm) e com uma polarização reversa de 5V, você pode esperar uma fotocorrente tipicamente de 18 µA. Seu circuito amplificador deve ser projetado para lidar com essa faixa de corrente. O valor mínimo de 10.2 µA é importante para o projeto do pior caso.

P: Por que a corrente de escuro é importante?

R: A corrente de escuro é a principal fonte de ruído em um fotodíodo quando não há luz presente. Ela define o limite inferior da luz detectável. Uma corrente de escuro mais baixa (5 nA típico para este dispositivo) significa que o sensor pode detectar sinais de luz mais fracos. Observe que a corrente de escuro dobra aproximadamente a cada aumento de 10°C na temperatura.

P: Posso usar este dispositivo com fontes de luz diferentes de 940nm?

R: Sim, mas com sensibilidade reduzida. Consulte a curva de Sensibilidade Espectral. O fotodíodo responderá à luz de aproximadamente 840nm a 1100nm, mas a corrente de saída para a mesma potência óptica será menor se o comprimento de onda não estiver próximo do pico de 940nm.

10. Caso Prático de Projeto e Uso

Caso: Projetando um Sensor de Proximidade IR para uma Torneira Automática.

1. Diagrama de Blocos do Sistema:Um LED IR (emitindo a 940nm) e o fotodíodo PD438C/S46 são colocados lado a lado atrás de uma janela translúcida. O LED é pulsado. Quando nenhum objeto está presente, a maior parte da luz IR se dispersa. Quando uma mão é colocada perto da torneira, a luz IR refletida entra no fotodíodo.
2. Racional da Seleção de Componentes:O PD438C/S46 é escolhido porque sua sensibilidade de pico a 940nm corresponde ao LED. O filtro IR integrado em seu encapsulamento ajuda a rejeitar a luz visível ambiente de lâmpadas, reduzindo acionamentos falsos. O encapsulamento de visão lateral permite que tanto o emissor quanto o detector sejam montados planos na PCB, apontando para fora.
3. Projeto do Circuito:O fotodíodo é polarizado reversamente com 5V. Sua saída é conectada a um amplificador de transimpedância. O ganho do amplificador (resistor de realimentação) é ajustado para que o sinal refletido esperado (uma fração dos 18 µA/mW/cm²) produza uma tensão utilizável. Um comparador após o amplificador detecta quando essa tensão excede um limite definido.
4. Otimização:A frequência e duração do pulso do LED são escolhidas para estarem fora da frequência de cintilação da luz ambiente (por exemplo, 100Hz da iluminação da rede elétrica). O sistema procura apenas pelo sinal sincronizado com o pulso do LED, proporcionando excelente imunidade a ruídos.

11. Introdução ao Princípio de Funcionamento

Um fotodíodo PIN é um dispositivo semicondutor com uma região intrínseca (I) larga e levemente dopada, intercalada entre uma região tipo P e uma tipo N. Quando fótons com energia maior que a banda proibida do semicondutor (para o silício, comprimentos de onda menores que ~1100nm) atingem o dispositivo, eles podem criar pares elétron-lacuna na região intrínseca. Sob a influência do campo elétrico interno (no modo fotovoltaico) ou de um campo de polarização reversa aplicado (no modo fotocondutivo), esses portadores de carga são separados, gerando uma fotocorrente que é proporcional à intensidade da luz incidente. A região intrínseca larga em uma estrutura PIN reduz a capacitância da junção (permitindo resposta mais rápida) e aumenta o volume para absorção de fótons (melhorando a sensibilidade), em comparação com um fotodíodo PN padrão.

12. Tendências e Contexto Tecnológico

Fotodiodos de silício PIN como o PD438C/S46 são soluções maduras, confiáveis e econômicas para detecção no infravermelho próximo. As tendências atuais no campo incluem:

• Integração:Movimento em direção a soluções integradas que combinam o fotodíodo, o amplificador e, às vezes, até mesmo o driver do LED e a lógica digital em um único encapsulamento ou chip (por exemplo, opto-ASICs).
• Miniaturização:Desenvolvimento de fotodiodos em encapsulamentos de montagem em superfície menores (por exemplo, encapsulamentos em escala de chip) para aplicações com restrições de espaço, como dispositivos móveis.
• Materiais Especializados:Para comprimentos de onda além do limite do silício (~1100nm), materiais como InGaAs são usados. No entanto, o silício permanece dominante para o espectro visível e infravermelho próximo devido ao seu baixo custo e excelente capacidade de fabricação.
• Desempenho Aprimorado:Pesquisas contínuas focam em reduzir ainda mais a capacitância e a corrente de escuro para melhorar a velocidade e a sensibilidade, frequentemente através de perfis de dopagem avançados e estruturas de dispositivo.

O PD438C/S46 representa um componente bem otimizado e específico para aplicação dentro deste panorama tecnológico mais amplo, oferecendo um equilíbrio prático entre desempenho, tamanho e custo para uma ampla gama de tarefas de sensoriamento IR industriais e de consumo.