Fotodiodo de Silício PIN Subminiatura Redondo de 1.8mm PD42-21C/TR8 - Dimensões 1.8mm Redondo - Sensibilidade de Pico 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD42-21C/TR8 é um fotodiodo de silício PIN de alta velocidade e alta sensibilidade, projetado para aplicações de detecção de infravermelho. Ele é encapsulado em um dispositivo de montagem em superfície (SMD) subminiatura redondo de 1.8mm, com lente esférica de topo, moldado em plástico preto. Este design compacto torna-o adequado para aplicações com espaço limitado que requerem sensoriamento infravermelho confiável.

O dispositivo é espectralmente compatível com diodos emissores de infravermelho comuns, otimizando o desempenho em sistemas onde é emparelhado com uma fonte de IR. Suas principais vantagens incluem tempo de resposta rápido, alta fotossensibilidade e baixa capacitância de junção, características críticas para a detecção de sinais de alta velocidade.

1.1 Características Principais e Conformidade

• Tempo de Resposta Rápido:Permite a detecção de mudanças rápidas no sinal óptico.
• Alta Sensibilidade Fotoelétrica:Fornece uma saída elétrica robusta mesmo com baixos níveis de luz.
• Baixa Capacitância de Junção:Contribui para a operação em alta velocidade ao reduzir as constantes de tempo RC.
• Embalagem:Fornecido em fita de 12mm montada em uma bobina de 7 polegadas de diâmetro para montagem automatizada.
• Conformidade Ambiental:O produto é livre de chumbo, em conformidade com as regulamentações RoHS e REACH da UE, e é livre de halogênios (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm).

1.2 Aplicações Alvo

Este fotodiodo é projetado para uso em vários sistemas eletrônicos que requerem detecção precisa de infravermelho.

• Fotodetectores de alta velocidade
• Fotocopiadoras
• Máquinas de jogos e dispositivos interativos
• Sistemas gerais de aplicação de infravermelho (ex.: sensores de proximidade, transmissão de dados)

2. Análise Detalhada das Especificações Técnicas

2.1 Especificações Absolutas Máximas

Operar o dispositivo além destes limites pode causar danos permanentes.

• Tensão Reversa (V_R):32 V
• Temperatura de Operação (T_opr):-25°C a +85°C
• Temperatura de Armazenamento (T_stg):-40°C a +85°C
• Temperatura de Soldagem (T_sol):260°C por ≤5 segundos
• Dissipação de Potência (P_d):150 mW a 25°C ou menos em temperatura ambiente livre

2.2 Características Eletro-Ópticas (T_a=25°C)

Estes parâmetros definem o desempenho do fotodiodo sob condições típicas.

• Largura Espectral (λ_0.5):730 nm a 1100 nm. O dispositivo é sensível ao longo do espectro do infravermelho próximo.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λ_P):940 nm. A responsividade máxima ocorre neste comprimento de onda infravermelho.
• Tensão em Circuito Aberto (V_OC):Tipicamente 0,42 V quando iluminado com 5 mW/cm² a 940nm.
• Corrente de Curto-Circuito (I_SC):2,0 a 12 μA (Típ. 5,0 μA) quando iluminado com 1 mW/cm² a 875nm.
• Corrente Luminosa Reversa (I_L):2,0 a 12 μA (Típ. 5,0 μA) a V_R=5V quando iluminado com 1 mW/cm² a 875nm. Este é o parâmetro operacional primário no modo fotocondutivo.
• Corrente de Escuro (I_D):Máximo 10 nA a V_R=10V. Esta é a corrente de fuga na ausência de luz.
• Tensão de Ruptura Reversa (V_BR):Mínimo 32 V, Típico 170 V a I_R=100μA.
• Capacitância Total (C_t):Tipicamente 5 pF a V_R=5V, f=1MHz. A baixa capacitância é fundamental para alta largura de banda.
• Tempo de Subida/Descida (t_r, t_f):Tipicamente 6 ns cada a V_R=10V, R_L=1kΩ. Isto especifica a velocidade da resposta elétrica a um pulso de luz.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica inclui curvas características típicas que são essenciais para engenheiros de projeto. Embora dados gráficos específicos não sejam fornecidos em forma de texto, estas curvas normalmente ilustram a relação entre parâmetros-chave, ajudando a prever o comportamento do dispositivo em condições não padronizadas.

3.1 Informação Implícita das Curvas

Com base nas características padrão de fotodiodos, as seguintes relações são normalmente plotadas:

• Resposta Espectral:Uma curva que mostra a responsividade relativa versus comprimento de onda, com pico em 940 nm e caindo para metade em 730 nm e 1100 nm.
• Corrente vs. Iluminância (I_Lvs. E_e):Espera-se que seja linear em uma ampla faixa, confirmando a adequação do fotodiodo para medição analógica de luz.
• Capacitância vs. Tensão Reversa (C_tvs. V_R):A capacitância tipicamente diminui com o aumento da polarização reversa, afetando a resposta em frequência.
• Corrente de Escuro vs. Temperatura (I_Dvs. T):A corrente de escuro aproximadamente dobra a cada aumento de 10°C na temperatura, o que é crítico para operação em alta temperatura.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões do Encapsulamento

O fotodiodo vem em um encapsulamento redondo subminiatura com diâmetro do corpo de 1.8mm. Desenhos mecânicos detalhados na ficha técnica especificam todas as dimensões críticas, incluindo altura da lente, espaçamento dos terminais e pegada geral. As tolerâncias são tipicamente ±0.1mm, salvo indicação em contrário. Um layout de pastilha sugerido é fornecido para referência de projeto de PCB, mas recomenda-se que os engenheiros o modifiquem com base em seu processo de montagem específico e requisitos térmicos.

4.2 Identificação de Polaridade e Montagem

O encapsulamento SMD tem uma orientação específica. O desenho na ficha técnica indica os terminais do cátodo e do ânodo. A polaridade correta é crucial para o funcionamento adequado do circuito. O corpo de plástico preto com uma lente esférica clara auxilia na sensibilidade direcional.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O manuseio adequado é vital para manter a confiabilidade e o desempenho do dispositivo.

5.1 Armazenamento e Sensibilidade à Umidade

• Não abra o saco à prova de umidade até estar pronto para uso.
• Armazene os sacos fechados a 10°C~30°C e ≤90% UR.
• Use dentro de um ano a partir do envio.
• Após a abertura, os dispositivos devem ser usados dentro de 168 horas (vida útil no chão de fábrica) quando armazenados a 10°C~30°C e ≤60% UR. Caso contrário, devem ser reaquecidos e armazenados em um saco seco.
• Procedimento de reaquecimento: 96 horas a 60°C ± 5°C e <5% UR.

5.2 Condições de Soldagem

• Soldagem por Refluxo:Um perfil de temperatura recomendado é fornecido. Não exceda dois ciclos de refluxo.
• Soldagem Manual:Use um ferro de soldar com temperatura da ponta <350°C e potência <25W. O tempo de contato por terminal deve ser <3 segundos. Permita um intervalo de 2 segundos entre soldar cada terminal para evitar danos térmicos.
• Evite estresse mecânico no dispositivo durante o aquecimento e evite empenar a PCB após a soldagem.

5.3 Retrabalho e Reparo

Não é recomendado reparar após a soldagem. Se inevitável, use um ferro de soldar de dupla cabeça para aquecer simultaneamente ambos os terminais e levantar o componente uniformemente. Sempre verifique a funcionalidade do dispositivo após qualquer retrabalho.

6. Informações de Embalagem e Pedido

6.1 Especificações da Fita e da Bobina

O dispositivo é embalado em fita transportadora com dimensões especificadas na ficha técnica. A quantidade padrão é de 1000 peças por bobina de 7 polegadas. As dimensões da fita garantem compatibilidade com equipamentos padrão de pick-and-place para SMD.

6.2 Informações da Etiqueta

A etiqueta da bobina contém informações padrão para rastreabilidade e montagem correta: Número da Peça do Cliente (CPN), Número da Peça (P/N), Número do Lote, Quantidade, Comprimento de Onda de Pico (HUE), Categorias (CAT), Referência (REF), Nível de Sensibilidade à Umidade (MSL-X) e Origem de Fabricação.

7. Considerações de Projeto para Aplicação

7.1 Proteção do Circuito

Crítico:Um resistor limitador de corrente externo deve ser usado em série com o fotodiodo quando operado no modo fotocondutivo (polarizado reversamente). Sem ele, uma pequena mudança de tensão pode causar uma grande sobrecorrente, potencialmente queimando o dispositivo.

7.2 Polarização e Condicionamento de Sinal

O fotodiodo pode ser usado em dois modos primários:

• Modo Fotovoltaico (Polarização Zero):Gera uma tensão (V_OC). Oferece baixo ruído, mas resposta mais lenta.
• Modo Fotocondutivo (Polarização Reversa):Operado com uma tensão reversa (ex.: 5V como nas especificações). Isto reduz a capacitância de junção (acelerando a resposta) e melhora a linearidade, mas aumenta a corrente de escuro. Um amplificador de transimpedância (TIA) é comumente usado para converter a fotocorrente (I_L) em um sinal de tensão utilizável.

7.3 Projeto Óptico

A lente esférica tem um ângulo de visão específico. Para um acoplamento ideal, alinhe a fonte de IR dentro deste ângulo. A carcaça preta minimiza reflexões internas e interferência de luz ambiente.

8. Comparação e Posicionamento Técnico

Comparado a fotodiodos padrão, o PD42-21C/TR8 oferece um equilíbrio entre velocidade (6 ns), sensibilidade (5 μA típico a 1mW/cm²) e uma pegada SMD muito compacta. Sua sensibilidade de pico de 940nm o torna uma correspondência direta para muitos LEDs IR de baixo custo. A baixa capacitância é um diferencial chave para aplicações de alta frequência em comparação com dispositivos com áreas ativas maiores.

9. Perguntas Frequentes (FAQ)

9.1 Qual é a diferença entre I_SCe I_L?

I_SC(Corrente de Curto-Circuito) é medida com tensão zero através do diodo. I_L(Corrente Luminosa Reversa) é medida sob uma polarização reversa aplicada (ex.: 5V). Em um fotodiodo PIN bem projetado, estes valores são muito similares, como mostrado na ficha técnica (ambos Típ. 5,0 μA). I_Lé o parâmetro mais prático para o projeto de circuito em operação polarizada.

9.2 Como escolho o valor do resistor em série?

O resistor limita a corrente sob iluminação máxima. Calcule R ≥ (Tensão da Fonte) / (I_LMáximo). Das especificações, I_LMáx. é 12 μA. Para uma polarização de 5V, R deve ser ≥ 5V / 12μA ≈ 417 kΩ. Um valor inicial comum é 100 kΩ, que também define a largura de banda em conjunto com a capacitância de junção.

9.3 Este componente pode ser usado para detecção de luz visível?

Sua faixa espectral começa em 730 nm, que está no infravermelho próximo. Ele tem sensibilidade muito baixa à luz visível (comprimentos de onda abaixo de 700 nm). Para luz visível, um fotodiodo com sensibilidade de pico na faixa de 550-650 nm seria mais apropriado.

10. Exemplo Prático de Caso de Uso

Cenário: Sensor de Proximidade por Infravermelho em um Controle de Jogo.

1. Emparelhamento de Componentes:O PD42-21C/TR8 é emparelhado com um LED IR de 940nm.
2. Projeto do Circuito:O fotodiodo é polarizado reversamente com 3.3V através de um resistor de 100 kΩ. Sua saída é conectada à entrada inversora de um amplificador operacional configurado como um TIA com um resistor de realimentação de 1 MΩ e um pequeno capacitor de realimentação (ex.: 1 pF) para estabilizar a resposta.
3. Operação:O LED IR emite um sinal pulsado. Quando um objeto (ex.: a mão de um usuário) se aproxima, ele reflete a luz IR para o fotodiodo. O TIA converte o aumento da fotocorrente em um pico de tensão mensurável.
4. Benefícios:O tempo de resposta rápido do fotodiodo permite a detecção rápida de movimentos rápidos da mão. Seu tamanho pequeno cabe facilmente no alojamento compacto do controle. A alta sensibilidade garante operação confiável mesmo com sinais refletidos fracos.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotodiodo PIN consiste em uma região intrínseca (I) larga e levemente dopada, intercalada entre regiões semicondutoras do tipo P e tipo N. Quando polarizado reversamente, a região intrínseca se esgota completamente, criando um grande campo elétrico. Fótons incidentes com energia maior que a banda proibida do semicondutor são absorvidos, criando pares elétron-lacuna. O forte campo elétrico separa rapidamente esses portadores, gerando uma fotocorrente que é proporcional à intensidade da luz. A região intrínseca larga reduz a capacitância de junção (permitindo alta velocidade) e aumenta o volume para absorção de fótons (melhorando a sensibilidade), em comparação com um fotodiodo PN padrão.

12. Tendências da Indústria

A demanda por fotodetectores miniaturizados e de alta velocidade continua a crescer, impulsionada por aplicações em eletrônicos de consumo (smartphones, wearables), automotivo (LiDAR, sensoriamento interno) e automação industrial. As tendências incluem maior miniaturização, integração de fotodiodos com circuitos de amplificação e digitalização em um único chip (ex.: sensores ópticos integrados) e desempenho aprimorado em bandas de comprimento de onda específicas para aplicações emergentes como reconhecimento de gestos e sensoriamento 3D. Dispositivos como o PD42-21C/TR8 representam uma solução madura e confiável para aplicações de alto volume e sensíveis ao custo que requerem detecção infravermelha robusta.