Ficha Técnica do Fototransístor LTR-306 - Embalagem Lateral - Corrente de Coletor até 2.4mA - Tensão 30V - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTR-306 é um fototransístor de silício NPN encapsulado em um pacote plástico de visão lateral. Este componente foi projetado para detectar radiação infravermelha, convertendo a luz incidente em uma corrente elétrica no seu terminal coletor. Sua função principal é atuar como um sensor de luz em diversos circuitos eletrônicos, onde funciona como um interruptor controlado por luz ou um sensor analógico de intensidade luminosa. A orientação do pacote de visão lateral é uma característica fundamental, o que significa que a área sensível fica perpendicular à direção dos terminais, sendo ideal para aplicações onde a fonte de luz está posicionada lateralmente à placa de circuito impresso (PCB).

As principais vantagens deste dispositivo incluem sua ampla faixa de operação da corrente de coletor, que oferece flexibilidade de projeto para diferentes requisitos de sensibilidade. A lente integrada é projetada para aumentar a sensibilidade, focando a luz infravermelha incidente na região ativa do semicondutor. Além disso, o uso de um encapsulamento plástico de baixo custo o torna uma escolha econômica para aplicações de consumo e industriais de alto volume, onde a relação custo-benefício é crucial sem sacrificar parâmetros de desempenho essenciais.

O mercado-alvo para o LTR-306 abrange um amplo espectro de aplicações que exigem detecção infravermelha confiável. Isso inclui, mas não se limita a, sistemas de detecção e contagem de objetos, sensores de fenda (por exemplo, em impressoras e máquinas de venda automática), sensores de fim de fita, sensoriamento de proximidade e equipamentos de automação industrial. Seu design robusto e desempenho especificado o tornam adequado para integração em sistemas eletrônicos simples e complexos.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

Estas especificações definem os limites de estresse além dos quais danos permanentes ao dispositivo podem ocorrer. A operação sob estas condições não é garantida. A dissipação de potência máxima é de 100 mW a uma temperatura ambiente (T_A) de 25°C. A tensão coletor-emissor (V_CE) não deve exceder 30 V, enquanto a tensão reversa emissor-coletor (V_EC) é limitada a 5 V. O dispositivo é classificado para operação dentro de uma faixa de temperatura ambiente de -40°C a +85°C e pode ser armazenado em temperaturas de -55°C a +100°C. Para soldagem, os terminais podem suportar 260°C por 5 segundos quando medidos a 1,6 mm do corpo do encapsulamento, o que é um requisito padrão para processos de soldagem por onda ou por refluxo.

2.2 Características Elétricas e Ópticas

Todos os parâmetros elétricos e ópticos são especificados a T_A=25°C, fornecendo uma linha de base para comparação de desempenho.

• Tensão de Ruptura Coletor-Emissor (V_(BR)CEO):Mínimo de 30V (I_C= 1mA, E_e=0). Esta é a tensão na qual a junção entra em ruptura na ausência de luz.
• Tensão de Ruptura Emissor-Coletor (V_(BR)ECO):Mínimo de 5V (I_E= 100μA, E_e=0). Este parâmetro é importante para condições de polarização reversa.
• Tensão de Saturação Coletor-Emissor (V_CE(SAT)):Tipicamente 0,1V, com um máximo de 0,4V (I_C= 100μA, E_e=1 mW/cm²). Esta baixa tensão indica um bom desempenho de comutação quando o transistor está totalmente ligado.
• Tempo de Subida (T_r) & Tempo de Descida (T_f):Máximo de 20 μs cada (V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ). Estes parâmetros definem a velocidade de comutação do fototransístor em resposta a um pulso de luz.
• Corrente de Escuridão do Coletor (I_CEO):Máximo de 100 nA (V_CE= 10V, E_e=0). Esta é a corrente de fuga quando não há luz presente, um parâmetro crítico para sensibilidade em baixa luminosidade e relação sinal-ruído.

3. Explicação do Sistema de Binning

O LTR-306 emprega um sistema de binning para seu parâmetro chave, a Corrente de Coletor em Estado Ligado (I_C(ON)). Binning é um processo de controle de qualidade e classificação que agrupa componentes com base no desempenho medido dentro de faixas especificadas. Isso garante consistência para o usuário final. O dispositivo é testado sob condições padrão (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ=940nm).

Os bins são rotulados de A a F, cada um representando uma faixa específica de I_C(ON):

• Bin A:0,20 mA a 0,60 mA
• Bin B:0,40 mA a 1,08 mA
• Bin C:0,72 mA a 1,56 mA
• Bin D:1,04 mA a 1,80 mA
• Bin E:1,20 mA a 2,40 mA
• Bin F:Mínimo de 1,60 mA (nenhum limite superior especificado nos dados fornecidos)

Este sistema permite que os projetistas selecionem um bin que corresponda à sensibilidade exigida pelo seu circuito. Por exemplo, um circuito que necessita de alta corrente de saída para acionar diretamente um relé ou LED pode especificar o Bin E ou F, enquanto um circuito de sensoriamento de baixa potência pode usar o Bin A ou B para minimizar o consumo de energia.

4. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica inclui várias curvas características típicas que ilustram como os parâmetros-chave variam com as condições de operação. Estas são essenciais para entender o comportamento do dispositivo além das especificações de ponto único.

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

Esta curva mostra que a corrente de escuridão do coletor (I_CEO) aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura ambiente. A -40°C, está na faixa de picoamperes, mas pode subir para cerca de 100 μA a 120°C. Esta característica é crucial para aplicações em alta temperatura, pois o aumento da corrente de escuridão atua como um deslocamento ou fonte de ruído, potencialmente reduzindo a sensibilidade efetiva e a faixa dinâmica do sensor.

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

Este gráfico demonstra a derating da dissipação de potência máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta. Embora o dispositivo possa dissipar 100 mW a 25°C, esta especificação deve ser reduzida linearmente em temperaturas mais altas para evitar fuga térmica e garantir confiabilidade. A curva fornece os dados necessários para o gerenciamento térmico no projeto da aplicação.

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

Este gráfico revela o compromisso entre velocidade de comutação e resistência de carga. Os tempos de subida e descida (T_r, T_f) aumentam significativamente à medida que o valor do resistor de carga (R_L) aumenta. Para uma carga de 1kΩ, o tempo é de cerca de 20μs, mas pode exceder 150μs para uma carga de 10kΩ. Os projetistas devem escolher R_Lpara equilibrar a necessidade de tempo de resposta rápido com a excursão de tensão ou nível de corrente de saída desejado.

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

Esta é uma característica de transferência fundamental. Ela mostra que a corrente do coletor é relativamente linear com a irradiância da luz incidente (E_e) na faixa inferior (0-2 mW/cm²) quando V_CEé mantida em 5V. Esta região linear é onde o dispositivo pode ser usado para medição analógica de luz. Em níveis de irradiância mais altos, a resposta pode começar a saturar.

4.5 Diagrama de Sensibilidade (Fig. 5)

Este diagrama polar ilustra a sensibilidade angular do fototransístor. A sensibilidade relativa é plotada contra o ângulo da luz incidente. Ele mostra que o dispositivo tem um ângulo de visão específico onde a sensibilidade é máxima (tipicamente no eixo, 0°). A sensibilidade diminui à medida que a fonte de luz se move fora do eixo. Este diagrama é vital para o alinhamento mecânico na aplicação final, a fim de garantir o acoplamento ideal entre a fonte de luz e o sensor.

5. Informações Mecânicas e de Embalagem

O LTR-306 utiliza um pacote plástico de visão lateral. As dimensões são fornecidas na ficha técnica com todas as medidas em milímetros (polegadas entre parênteses). As tolerâncias dimensionais principais são tipicamente ±0,25 mm, salvo indicação em contrário. O espaçamento dos terminais é medido no ponto onde eles emergem do corpo do encapsulamento, o que é crítico para o projeto do footprint da PCB. O pacote inclui uma lente moldada no plástico para aumentar a eficiência de coleta óptica. A orientação de visão lateral significa que a área sensível ativa fica na lateral do componente, não no topo. A identificação clara da polaridade (pinos emissor e coletor) é fornecida no desenho do pacote, o que é essencial para a montagem correta da placa de circuito.

6. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O dispositivo é adequado para processos padrão de montagem em PCB. A especificação máxima absoluta define que os terminais podem suportar uma temperatura de soldagem de 260°C por 5 segundos quando medidos a 1,6 mm (0,063") do corpo do encapsulamento. Esta especificação é compatível com perfis típicos de soldagem por onda e por refluxo. Recomenda-se seguir as diretrizes padrão JEDEC ou IPC para manipulação de sensibilidade à umidade, se aplicável, embora o pacote plástico seja geralmente robusto. Durante a soldagem, deve-se tomar cuidado para evitar estresse térmico excessivo no encapsulamento. Após a montagem, a limpeza deve ser realizada com solventes compatíveis com o material plástico. Para armazenamento, a faixa especificada de -55°C a +100°C deve ser observada, e os componentes são normalmente fornecidos em sacos barreira à umidade com dessecante.

7. Recomendações de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Detecção/Interrupção de Objetos:Usado em pares com um LED infravermelho para detectar a presença ou ausência de um objeto quebrando o feixe. Comum em impressoras, copiadoras, máquinas de venda automática e contadores industriais.
• Sensoriamento de Proximidade:Detectando a reflexão da luz infravermelha de um objeto próximo.
• Barreiras Ópticas/Sensores de Fenda:Detectando a borda de uma fita, papel ou outro material.
• Codificadores:Usado em codificadores ópticos rotativos ou lineares para ler padrões em um disco ou tira codificada.
• Receptores Simples de Controle Remoto:Para detecção básica de comandos infravermelhos (embora módulos receptores dedicados sejam mais comuns para protocolos complexos).

7.2 Considerações de Projeto

• Polarização:O fototransístor pode ser usado em duas configurações comuns: modo chave (com um resistor de pull-up) ou modo analógico (em uma configuração de amplificador emissor comum). O valor do resistor de carga (R_L) afeta criticamente tanto a tensão/corrente de saída quanto a velocidade de resposta (ver Fig. 3).
• Imunidade à Luz Ambiente:Para operação confiável em ambientes com luz ambiente variável (por exemplo, luz solar, luzes da sala), a modulação da fonte infravermelha e a correspondente filtragem ou demodulação do sinal do fototransístor são frequentemente necessárias.
• Lente e Alinhamento:O alinhamento mecânico adequado entre o emissor infravermelho e o fototransístor, considerando sua orientação de visão lateral e padrão de sensibilidade angular (Fig. 5), é essencial para maximizar a força do sinal e a confiabilidade.
• Efeitos de Temperatura:O projeto deve levar em conta a variação da corrente de escuridão (Fig. 1) e da sensibilidade com a temperatura, especialmente em ambientes externos ou severos.
• Ruído Elétrico:Em circuitos analógicos sensíveis, blindagem e aterramento adequado podem ser necessários para evitar a captação de ruído no nó de alta impedância do fototransístor.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a um fotodiodo padrão, um fototransístor como o LTR-306 fornece ganho interno, resultando em uma corrente de saída muito maior para a mesma entrada de luz. Isso elimina a necessidade de um amplificador de transimpedância externo em muitos circuitos de detecção simples, reduzindo a contagem de componentes e o custo. Comparado a outros fototransístores, as vantagens específicas do LTR-306 residem no seuencapsulamento de visão lateral, que é um fator de forma mecânico distinto adequado para caminhos ópticos específicos, na suaampla faixa de binning de corrente de coletorque oferece flexibilidade, e na sualente integrada para sensibilidade aprimorada. Seus tempos de subida/descida e tensões especificados o tornam um componente robusto de uso geral para aplicações de média velocidade.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: O que significa o código de bin (A, B, C, etc.) para o meu projeto?

R: O código de bin indica a faixa garantida de corrente de coletor que o dispositivo produzirá sob condições de teste padrão. Escolha um bin que forneça corrente de sinal suficiente para o seu circuito a jusante (por exemplo, comparador, ADC do microcontrolador), considerando também o consumo de energia. Bins mais altos (E, F) fornecem mais corrente, mas podem ter uma corrente de escuridão ligeiramente maior.

P: Posso usar este sensor sob luz solar?

R: A luz solar direta contém uma quantidade significativa de radiação infravermelha que saturará o sensor e o tornará inutilizável para detectar uma fonte de IR separada. Para uso externo, filtragem óptica (um filtro passa-infravermelho que bloqueia a luz visível) e/ou fontes de luz moduladas com detecção síncrona são obrigatórias.

P: Por que o tempo de subida/descida depende do resistor de carga?

R: A velocidade do fototransístor é limitada pela constante de tempo RC formada por sua capacitância de junção e a resistência de carga (R_L). Um R_Lmaior cria uma constante de tempo maior, desacelerando a excursão de tensão no coletor, aumentando assim os tempos de subida e descida. Para resposta mais rápida, use um R_Lmenor, mas isso também reduzirá a excursão da tensão de saída.

P: Como interpreto o diagrama de sensibilidade?

R: O diagrama mostra a resposta relativa do sensor à luz proveniente de diferentes ângulos. Um valor de 1,0 (ou 100%) está tipicamente a 0° (diretamente na frente da lente). A curva mostra o quanto o sinal diminui se a fonte de luz estiver desalinhada. Use isso para projetar a carcaça mecânica e os recursos de alinhamento no seu produto.

10. Exemplo Prático de Projeto

Cenário: Projetando um Sensor de Presença de Papel para uma Impressora.Um LED infravermelho é colocado em um lado do caminho do papel, e o LTR-306 é posicionado diretamente oposto, criando um feixe. Quando não há papel, a luz IR atinge o fototransístor, ligando-o e puxando a tensão do coletor para baixo. Quando o papel passa, ele bloqueia o feixe, o fototransístor desliga e sua tensão de coletor vai para alta (através de um resistor de pull-up). Esta transição de tensão é detectada por um microcontrolador.

Etapas do Projeto:

1. Selecione um bin apropriado (por exemplo, Bin C) para garantir uma mudança de corrente forte o suficiente para acionar de forma confiável a tensão do resistor de pull-up escolhido ao longo da faixa de temperatura de operação esperada.

2. Escolha um resistor de carga/pull-up (R_L). Um resistor de 4,7kΩ com uma fonte de 5V forneceria uma boa excursão de tensão. Consulte a Fig. 3 para garantir que o tempo de resposta resultante de ~100μs seja rápido o suficiente para a velocidade do papel.

3. Projete mecanicamente o suporte para que o LED e o LTR-306 estejam alinhados de acordo com o eixo de 0° no diagrama de sensibilidade (Fig. 5). O pacote de visão lateral simplifica isso, pois ambos os componentes podem ser montados planos na PCB, voltados um para o outro.

4. Implemente o driver do LED IR com modulação (por exemplo, uma onda quadrada de 1kHz) para tornar o sensor imune à luz IR ambiente constante. O microcontrolador então leria o sinal do sensor de forma síncrona com esta modulação.

11. Princípio de Funcionamento

Um fototransístor é um transistor de junção bipolar onde a região da base é exposta à luz. No LTR-306 (tipo NPN), fótons incidentes com energia suficiente (luz infravermelha a ~940nm) são absorvidos na junção base-coletor, gerando pares elétron-lacuna. Esses portadores fotogerados são separados pelo campo elétrico na junção base-coletor polarizada reversamente. A fotocorrente resultante atua como uma corrente de base para o transistor. Devido ao ganho de corrente do transistor (beta/h_FE), esta pequena fotocorrente é amplificada, produzindo uma corrente de coletor muito maior. Esta amplificação interna é a principal diferença em relação a um fotodiodo. A corrente do coletor é principalmente proporcional à intensidade da luz incidente e ao ganho do dispositivo.

12. Tendências Tecnológicas

Fototransístores como o LTR-306 representam uma tecnologia madura e de custo-benefício para sensoriamento de luz simples. As tendências atuais em optoeletrônica incluem a integração de fototransístores com circuitos de amplificação e condicionamento de sinal no próprio chip para criar sensores de saída digital ou sensores analógicos com linearidade e compensação de temperatura aprimoradas. Há também um movimento em direção à miniaturização e a pacotes de montagem em superfície com footprints ainda menores. Para aplicações de maior velocidade e mais precisas, fotodiodos com amplificadores de transimpedância externos ou circuitos integrados ópticos dedicados são frequentemente preferidos. No entanto, para tarefas básicas de detecção de baixo custo e média velocidade, fototransístores discretos permanecem altamente relevantes devido à sua simplicidade, robustez e baixa contagem de componentes.