Ficha Técnica do Fotodiodo de Silício PIN PD438B/S46 - Semi-Lente 4.8mm - Embalagem Preta - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD438B/S46 é um fotodiodo de silício PIN de alto desempenho, projetado para aplicações que exigem resposta rápida e alta sensibilidade. Está alojado numa embalagem plástica cilíndrica lateral compacta, com uma semi-lente de 4.8mm. Uma característica fundamental deste dispositivo é a sua resina de encapsulamento, formulada para funcionar como um filtro de infravermelhos (IR) integrado. Este filtro está espectralmente adaptado a emissores de IR comuns, melhorando o seu desempenho em aplicações de sensoriamento de IR ao reduzir a sensibilidade à luz visível indesejada.

As principais vantagens deste fotodiodo incluem os seus tempos de resposta rápidos, que são críticos para aplicações de transmissão de dados e comutação de alta velocidade, e a sua elevada fotossensibilidade, permitindo a deteção eficaz de baixos níveis de luz. A sua pequena capacitância de junção contribui para a resposta rápida e torna-o adequado para circuitos de alta frequência. O dispositivo é construído com materiais sem chumbo e está em conformidade com regulamentações ambientais relevantes, como RoHS e REACH da UE, sendo adequado para utilização em produtos com requisitos rigorosos de conformidade ambiental.

Os principais mercados e aplicações para o PD438B/S46 estão na eletrónica de consumo, na automação industrial e em sistemas de comunicação. As suas especificações tornam-no um componente ideal para projetistas que trabalham em ligações de dados ópticas de alta velocidade, sistemas de deteção de presença e equipamentos de medição de luz de precisão.

2. Análise Aprofundada de Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

O dispositivo está classificado para suportar uma tensão reversa máxima (VR) de 32V. A dissipação de potência máxima (Pd) é de 150 mW, o que define os limites térmicos de operação. Os terminais podem ser soldados a uma temperatura até 260°C por um período não superior a 5 segundos, o que é compatível com os processos padrão de soldagem por refluxo. A gama de temperatura operacional é especificada de -40°C a +85°C, e pode ser armazenado em ambientes de -40°C a +100°C. Estas classificações garantem um desempenho fiável numa grande variedade de condições ambientais.

2.2 Características Eletro-Ópticas

A resposta espectral do fotodiodo é definida pela sua gama de largura de banda espectral (λ0.5), que abrange de 840 nm a 1100 nm. O comprimento de onda de sensibilidade de pico (λp) é de 940 nm, situando-o diretamente na região do infravermelho próximo, comumente utilizada em comandos à distância, sensores ópticos e comunicação em espaço livre.

Sob uma irradiância de 5 mW/cm² a 940 nm, a tensão de circuito aberto típica (VOC) é de 0.35V. A corrente de curto-circuito (ISC), medida a 1 mW/cm² e 940 nm, é tipicamente de 18 µA. Este parâmetro é uma medida direta da capacidade de geração de corrente do dispositivo sob iluminação.

A corrente luminosa reversa (IL) é a fotocorrente gerada quando o díodo está polarizado inversamente. A VR=5V e Ee=1 mW/cm² (λp=940nm), o valor típico é de 18 µA, com um valor mínimo garantido de 10.2 µA. A corrente de escuro (Id), que é a corrente de fuga sem iluminação a VR=10V, é tipicamente de 5 nA com um máximo de 30 nA. Uma baixa corrente de escuro é essencial para alcançar uma boa relação sinal-ruído, especialmente em cenários de deteção de baixa luminosidade.

A tensão de ruptura reversa (BVR) é especificada com um mínimo de 32V quando flui uma corrente de 100 µA, com um valor típico tão elevado quanto 170V. A capacitância total dos terminais (Ct) a VR=5V e 1 MHz é tipicamente de 18 pF. Esta baixa capacitância é um fator chave que permite os tempos de subida e descida rápidos. Os tempos de subida e descida (tr/tf) são ambos tipicamente de 50 nanossegundos quando o dispositivo é operado a VR=10V com uma resistência de carga (RL) de 1 kΩ.

3. Análise de Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características que oferecem uma visão mais profunda do comportamento do dispositivo em condições variáveis.

Figura 1: Dissipação de Potência vs. Temperatura Ambienteilustra a redução da dissipação de potência máxima permitida à medida que a temperatura ambiente aumenta. Este gráfico é crucial para o projeto de gestão térmica, a fim de evitar sobreaquecimento e garantir fiabilidade a longo prazo.

Figura 2: Sensibilidade Espectralmostra a responsividade relativa do fotodiodo ao longo do espectro de comprimentos de onda, aproximadamente de 600 nm a 1200 nm. A curva atinge o pico a 940 nm e mostra a ação de filtragem eficaz da resina da embalagem, que atenua a resposta fora da banda de IR alvo.

Figura 3: Corrente de Escuro vs. Temperatura Ambientedemonstra como a corrente de fuga (Id) aumenta exponencialmente com a temperatura. Esta relação é vital para aplicações que operam a temperaturas elevadas, pois define o piso de ruído do sensor.

Figura 4: Corrente Luminosa Reversa vs. Irradiância (Ee)descreve a relação linear entre a fotocorrente gerada e a densidade de potência da luz incidente. Esta linearidade é uma propriedade fundamental dos fotodiodos PIN e é essencial para aplicações de medição analógica de luz.

Figura 5: Capacitância dos Terminais vs. Tensão Reversamostra que a capacitância da junção diminui com o aumento da tensão de polarização reversa. Os projetistas podem usar esta relação para otimizar a velocidade do seu circuito, selecionando um ponto de polarização apropriado.

Figura 6: Tempo de Resposta vs. Resistência de Cargaindica como o tempo de subida/descida do sinal de saída do fotodiodo é afetado pela resistência de carga a ele conectada. Uma resposta mais rápida é alcançada com resistências de carga mais baixas, embora isso possa comprometer a amplitude do sinal de saída.

4. Informações Mecânicas e de Embalagem

4.1 Dimensões da Embalagem

O PD438B/S46 vem numa embalagem cilíndrica de visão lateral. As dimensões principais incluem um diâmetro do corpo e uma altura da semi-lente, conforme definido no desenho da embalagem. Todas as tolerâncias não especificadas para dimensões lineares são de ±0.25mm. A embalagem é de cor preta, o que ajuda a reduzir a interferência de luz parasita. A configuração de visão lateral permite a deteção de luz a partir de uma direção paralela ao plano da PCB, o que é útil em aplicações como deteção de papel em impressoras ou sensoriamento de bordas.

4.2 Identificação de Polaridade

O cátodo é tipicamente identificado por um terminal mais longo, um entalhe ou um ponto plano no corpo da embalagem. A polaridade correta deve ser observada durante a montagem, uma vez que a polarização inversa é a condição operacional padrão para fotodiodos utilizados no modo fotocondutor.

5. Diretrizes de Soldagem e Montagem

O dispositivo é adequado para processos de soldagem por onda e por refluxo. A especificação máxima absoluta para a temperatura de soldagem dos terminais é de 260°C, com a nota de que o tempo de soldagem não deve exceder 5 segundos. Recomenda-se seguir as diretrizes IPC padrão para soldagem de componentes eletrónicos. O dispositivo deve ser armazenado num ambiente seco e antiestático, dentro da sua gama de temperatura de armazenamento especificada de -40°C a +100°C, para evitar a absorção de humidade e danos eletrostáticos.

6. Informações de Embalagem e Encomenda

A especificação de embalagem padrão é a seguinte: 200 a 500 peças são embaladas num saco de barreira à humidade. Seis desses sacos são colocados numa caixa de cartão interna. Dez caixas internas são então embaladas numa caixa de envio principal. A etiqueta na embalagem inclui campos para o número de peça do cliente (CPN), o número de peça do fabricante (P/N), a quantidade de embalagem (QTY) e o número de lote (LOT No.). Outros campos como CAT, HUE e REF, comuns em LEDs para denotar intensidade, comprimento de onda e faixas de tensão, não são aplicáveis a este fotodiodo, pois não é classificado da mesma forma; estes campos podem ser deixados em branco ou usados para outras informações de rastreabilidade.

7. Sugestões de Aplicação

7.1 Cenários de Aplicação Típicos

• Deteção Fotoelétrica de Alta Velocidade:Ideal para codificadores ópticos, comunicação de dados sobre fibra óptica plástica (POF) e deteção de feixes laser onde é necessária resposta em nanossegundos.
• Aplicações em Câmaras:Pode ser usado para sensoriamento de luz ambiente (ALS) ou deteção de proximidade por IR em smartphones, tablets e câmaras digitais. O filtro de IR integrado ajuda a medir com precisão os níveis de IR.
• Interruptores Fotoelétricos:Adequado para deteção de objetos, contagem e sensoriamento de posição em máquinas de venda automática, automação industrial e sistemas de segurança.
• Eletrónica de Consumo:Utilizado em videogravadores e câmaras de vídeo para deteção de fim de fita ou receção de sinais de controlo.

7.2 Considerações de Projeto

Ao projetar um circuito com o PD438B/S46, considere o seguinte:

• Tensão de Polarização:Uma tensão de polarização reversa (tipicamente 5V a 10V conforme as condições da ficha técnica) é aplicada para alargar a região de depleção, reduzindo a capacitância e melhorando a velocidade. Certifique-se de que a tensão não excede a classificação máxima de 32V.
• Resistor de Carga (RL):O valor de RL na configuração de transimpedância afeta diretamente a largura de banda e a tensão de saída. Um RL menor proporciona resposta mais rápida, mas sinal de saída mais baixo. A Figura 6 da ficha técnica é uma referência chave.
• Amplificação:A fotocorrente é pequena (microamperes). Um amplificador de transimpedância (TIA) é quase sempre usado para converter esta corrente num sinal de tensão utilizável. Escolha um amplificador operacional com baixa corrente de polarização de entrada e largura de banda suficiente.
• Redução de Ruído:Proteja o fotodiodo e os seus traços de conexão do ruído elétrico. Use um capacitor de desacoplamento próximo aos pinos de alimentação do dispositivo, se for utilizado um circuito de polarização ativo. A baixa corrente de escuro ajuda a manter uma boa relação sinal-ruído.
• Considerações Ópticas:Certifique-se de que a lente está limpa e desobstruída. A embalagem de visão lateral pode exigir um projeto mecânico cuidadoso para alinhar corretamente o caminho da luz.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com fotodiodos PN padrão, a estrutura PIN do PD438B/S46 oferece vantagens distintas. A região intrínseca (I) entre as camadas P e N cria uma região de depleção maior. Isto resulta em dois benefícios primários:1) Capacitância de Junção Mais Baixa:A região de depleção maior atua como um dielétrico mais largo, reduzindo significativamente a capacitância (tipicamente 18 pF), que é o principal facilitador para operação de alta velocidade.2) Linearidade e Sensibilidade Melhoradas:A ampla região intrínseca permite uma coleta mais eficiente de portadores fotogerados num volume mais amplo, levando a uma melhor linearidade entre fotocorrente e irradiância e potencialmente a uma maior eficiência quântica no seu comprimento de onda de pico.

Além disso, a integração de uma resina filtrante de IR diretamente na embalagem é uma característica diferenciadora. Elimina a necessidade de um filtro de IR externo separado, economizando espaço, reduzindo custos e simplificando a montagem. Isto torna-o particularmente vantajoso para projetos compactos de eletrónica de consumo.

9. Perguntas Frequentes (Baseadas em Parâmetros Técnicos)

P: Qual é a diferença entre a corrente de curto-circuito (ISC) e a corrente luminosa reversa (IL)?

R: A ISC é medida com zero volts através do díodo (condição de curto-circuito). A IL é medida quando o díodo está polarizado inversamente (por exemplo, a VR=5V). Na prática, para um fotodiodo PIN, estes valores são muito semelhantes porque a fotocorrente é amplamente independente da tensão de polarização reversa na gama operacional normal.

P: Por que o tempo de subida/descida é especificado com uma carga de 1 kΩ?

R: A carga de 1 kΩ representa uma condição de carga comum para testes e para circuitos simples. O tempo de resposta real na sua aplicação dependerá da resistência de carga específica do seu circuito e das capacitâncias parasitas, como mostrado na Figura 6.

P: Este fotodiodo pode ser usado para deteção de luz visível?

R: Embora o material de silício em si seja sensível à luz visível (como visto na curva espectral que se estende até ~600nm), a embalagem de resina preta atua como um filtro forte. A sua sensibilidade no espectro visível será muito atenuada em comparação com o seu pico a 940 nm. É projetado principalmente para aplicações de infravermelho próximo.

P: Como interpreto os valores "Tip." na tabela de características?

R: "Tip." significa valor típico, que é a média esperada sob condições especificadas. Não é garantido. Para fins de projeto, especialmente para parâmetros críticos, deve usar os valores "Mín." ou "Máx." para garantir que o seu circuito funcionará corretamente em todas as variações e condições de produção.

10. Exemplos Práticos de Projeto e Utilização

Exemplo 1: Interruptor Simples de Deteção de Objetos

Um interruptor óptico básico pode ser construído emparelhando o PD438B/S46 com um LED de IR (por exemplo, emissor a 940 nm). O fotodiodo é conectado em polarização reversa com um resistor de pull-up para Vcc (por exemplo, 5V). O nó de saída entre o resistor e o cátodo do fotodiodo é enviado para um comparador ou para um pino de entrada digital de um microcontrolador. Quando um objeto interrompe o feixe de IR entre o LED e o fotodiodo, a fotocorrente cai, fazendo com que a tensão no nó de saída suba, acionando o sinal de deteção. O tempo de resposta rápido permite a deteção de objetos em movimento rápido.

Exemplo 2: Sensor de Luz Ambiente com Microcontrolador

Para medição analógica do nível de luz, o fotodiodo pode ser conectado a um amplificador de transimpedância. A tensão de saída do TIA, que é proporcional à intensidade da luz de IR incidente, é então enviada para uma entrada de conversor analógico-digital (ADC) de um microcontrolador. O MCU pode usar esta leitura para ajustar automaticamente o brilho de um ecrã ou para determinar se um sinal de comando à distância por IR está presente. O filtro de IR integrado ajuda a garantir que a leitura seja específica para o componente de IR da luz ambiente.

11. Introdução ao Princípio de Funcionamento

Um fotodiodo PIN é um dispositivo semicondutor que converte luz em corrente elétrica. Consiste numa camada de material semicondutor intrínseco (não dopado ou levemente dopado) (a região "I") intercalada entre uma camada do tipo P e uma camada do tipo N. Quando fotões com energia maior que a banda proibida do semicondutor (para o silício, luz com comprimento de onda inferior a ~1100 nm) atingem o dispositivo, podem criar pares eletrão-lacuna na região intrínseca. Quando uma tensão de polarização reversa é aplicada, cria um forte campo elétrico através da região intrínseca. Este campo varre rapidamente os portadores fotogerados para os respetivos terminais — eletrões para o lado N e lacunas para o lado P — gerando uma fotocorrente mensurável no circuito externo. A largura da região intrínseca é fundamental: permite a geração e coleta eficiente de portadores, mantendo a capacitância do dispositivo baixa.

12. Tendências e Contexto Tecnológico

Fotodiodos de silício PIN como o PD438B/S46 representam uma tecnologia madura e altamente fiável. As tendências atuais neste campo concentram-se em várias áreas:Miniaturização:Desenvolvimento de embalagens com pegada mais pequena (por exemplo, embalagens de escala de chip) para aplicações com restrições de espaço, como dispositivos vestíveis e telemóveis.Integração:Combinação do fotodiodo com circuitos de amplificação, digitalização e processamento de sinal num único chip para criar sensores ópticos inteligentes.Desempenho Aprimorado:Investigação de estruturas como fotodiodos de avalanche (APDs) para aplicações que requerem sensibilidade extrema, embora sejam mais complexos e caros.Novos Materiais:Exploração de materiais como germânio ou compostos III-V (por exemplo, InGaAs) para deteção em comprimentos de onda de infravermelho mais longos, que não são acessíveis com silício padrão. Para aplicações principais de infravermelho próximo até 1100 nm, o silício continua a ser o material de escolha dominante e económico devido à sua excelente capacidade de fabrico e desempenho.