Ficha Técnica do Fotodíodo de Silício PIN PD15-21B/TR8 - Pacote 1206 (1.6x0.8x0.55mm) - Faixa Espectral 730-1100nm - Pico 940nm - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O PD15-21B/TR8 é um fotodíodo de Silício PIN de alto desempenho encapsulado num pacote miniaturizado para montagem em superfície (SMD). Este componente foi especificamente concebido para aplicações de deteção no espectro do infravermelho, oferecendo uma solução compacta e fiável para projetos eletrónicos modernos que necessitam de deteção ótica.

1.1 Vantagens Principais e Posicionamento do Produto

Este dispositivo foi projetado para oferecer vários benefícios essenciais para a deteção de precisão. Apresenta umtempo de resposta rápido, permitindo-lhe detetar variações rápidas na intensidade luminosa, o que é crítico para aplicações como contagem, triagem e deteção de posição. Aalta sensibilidade fotoelétricagarante uma deteção de sinal fiável mesmo em condições de baixa iluminação. Além disso, apequena capacitância da junçãocontribui para o seu desempenho de alta velocidade. O produto é fornecido em fita padrão da indústria de 8mm em bobinas de 7 polegadas de diâmetro, facilitando os processos de montagem automatizada. É totalmente conforme com as regulamentações ambientais, sendo livre de chumbo, compatível com RoHS, compatível com o REACH da UE e livre de halogéneos (com Bromo <900 ppm, Cloro <900 ppm e a sua soma <1500 ppm).

1.2 Mercado-Alvo e Aplicações

Os mercados-alvo principais incluem automação industrial, eletrónica de consumo e sistemas de segurança. O seu tamanho miniaturizado e formato SMD tornam-no ideal para aplicações com restrições de espaço. Casos de uso típicos incluem:

• Interruptores Óticos Miniaturizados:Utilizados em deteção de objetos, deteção de papel em impressoras e sensores de ranhura.
• Contadores e Triadores:Empregues em linhas de montagem para contagem e triagem de peças com base na deteção de presença/ausência.
• Sensores de Posição:Utilizados para deteção de bordas, comutação de limite e sistemas de codificadores rotativos.
• Sistemas Aplicados de Infravermelhos:Parte integrante de sistemas que utilizam emissores de infravermelhos para transmissão de dados, deteção de proximidade e sensoriamento de luz ambiente.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

Uma compreensão completa das especificações do dispositivo é crucial para um correto projeto do circuito e integração do sistema.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. Não é recomendado operar o dispositivo continuamente nestes limites ou próximo deles.

• Tensão Reversa (V_R):32 V. Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada em polarização reversa nos terminais do fotodíodo.
• Temperatura de Operação (T_opr):-25°C a +85°C. A gama de temperatura ambiente para operação fiável.
• Temperatura de Armazenamento (T_stg):-40°C a +85°C. A gama de temperatura para armazenamento não operacional.
• Temperatura de Soldadura (T_sol):260°C durante um máximo de 5 segundos. Isto define a temperatura de pico do perfil de reflow.
• Dissipação de Potência (P_d):150 mW a ou abaixo de 25°C de temperatura ambiente livre. Isto limita a potência elétrica total que o dispositivo pode suportar com segurança.

2.2 Características Eletro-Óticas

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

• Largura de Banda Espectral (λ_0.5):730 nm a 1100 nm. Esta é a gama de comprimentos de onda onde a responsividade do fotodíodo é pelo menos metade do seu valor de pico. Indica sensibilidade à luz do infravermelho próximo.
• Comprimento de Onda de Sensibilidade de Pico (λ_P):940 nm (típico). O dispositivo está espectralmente adaptado a diodos emissores de infravermelhos (IREDs) comuns que operam neste comprimento de onda, maximizando a eficiência do sistema.
• Corrente de Curto-Circuito (I_SC):0,8 μA (típico) sob uma irradiância (E_e) de 1 mW/cm² a 940 nm. Esta é a fotocorrente gerada quando o fotodíodo opera em modo fotovoltaico (polarização zero).
• Corrente Luminosa Reversa (I_L):0,2 μA (mín.) a 0,8 μA (típico) sob uma irradiância de 1 mW/cm² a 940 nm com uma tensão de polarização reversa (V_R) de 5V. Este parâmetro é relevante para a operação em modo fotocondutor, onde uma polarização reversa externa é aplicada para melhorar a velocidade e a linearidade.
• Corrente de Escuridão (I_D):10 nA (máx.) com V_R=10V em completa escuridão (E_e=0). Esta é a pequena corrente de fuga que flui mesmo quando não há luz presente. Uma baixa corrente de escuridão é essencial para uma boa relação sinal-ruído, especialmente em aplicações de baixa luminosidade.
• Tensão de Ruptura Reversa (BV_R):32 V (mín.), 170 V (típico) medido a uma corrente reversa de 100 μA. Isto indica uma tensão de ruptura muito elevada, proporcionando uma ampla margem de operação abaixo do valor máximo absoluto de 32V.

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.

3.1 Redução de Potência

Fig.1: Dissipação de Potência vs. Temperatura Ambientemostra como a dissipação de potência máxima permitida diminui à medida que a temperatura ambiente aumenta acima de 25°C. Os projetistas devem reduzir a potência em conformidade para evitar sobrecarga térmica.

3.2 Resposta Espectral

Fig.2: Sensibilidade Espectraldescreve graficamente a responsividade relativa do fotodíodo ao longo do espectro luminoso, confirmando o seu pico a 940 nm e a largura de banda definida de 730-1100 nm.

3.3 Dependência da Temperatura

Fig.3: Corrente de Escuridão vs. Temperatura Ambienteilustra que a corrente de escuridão aproximadamente duplica a cada aumento de 10°C na temperatura. Este é um comportamento fundamental dos semicondutores e deve ser considerado em aplicações de alta temperatura ou de precisão.Fig.4: Corrente Luminosa Reversa vs. Irradiância (E_e)demonstra a relação linear entre a potência da luz incidente e a fotocorrente gerada, uma característica fundamental dos fotodíodos PIN.

3.4 Resposta Angular

Fig.5: Intensidade Radiante Relativa vs. Deslocamento Angularmostra a sensibilidade direcional do dispositivo. O encapsulamento de epóxi preto com uma lente esférica proporciona um ângulo de visão específico, o que influencia como o fotodíodo deve ser alinhado com uma fonte de luz no projeto do sistema.

4. Informação Mecânica e de Encapsulamento

4.1 Dimensões do Pacote

O dispositivo está conforme com a pegada padrão SMD 1206 (3216 métrico): aproximadamente 1,6mm de comprimento, 0,8mm de largura e 0,55mm de altura (excluindo a cúpula da lente). São fornecidos desenhos dimensionais detalhados com tolerâncias de ±0,1mm para o projeto do padrão de solda da PCB. É fornecida uma sugestão de layout de pads como referência, mas recomenda-se que os projetistas o modifiquem com base no seu processo específico de fabrico de PCB e requisitos térmicos.

4.2 Identificação da Polaridade

O fotodíodo é moldado em epóxi preto. O terminal do cátodo está tipicamente marcado ou identificado no desenho de contorno do pacote. A ligação correta da polaridade é essencial para o funcionamento adequado no modo de polarização reversa (fotocondutor).

5. Diretrizes de Soldadura e Montagem

A manipulação adequada é crítica para manter a fiabilidade e o desempenho do dispositivo.

5.1 Armazenamento e Sensibilidade à Humidade

O dispositivo é sensível à humidade. A bolsa de barreira à humidade não deve ser aberta até estar pronto para uso. Após a abertura, a "vida útil fora da embalagem" é de 168 horas (7 dias) quando armazenado a 10-30°C e ≤60% de HR. Os dispositivos não utilizados devem ser reembalados com dessecante. Se a vida útil fora da embalagem for excedida ou o dessecante indicar absorção de humidade, é necessário um cozimento a 60°C ±5°C e <5% de HR durante 96 horas antes da utilização.

5.2 Soldadura por Reflow

É recomendado um perfil de temperatura de solda sem chumbo, com uma temperatura de pico de 260°C durante um máximo de 5 segundos. A soldadura por reflow não deve ser realizada mais de duas vezes. Deve ser evitada a tensão no corpo do componente durante o aquecimento e a deformação da PCB após a soldadura.

5.3 Soldadura Manual e Retrabalho

Se for necessária soldadura manual, utilize um ferro de soldar com temperatura da ponta abaixo de 350°C e uma capacidade de 25W ou menos. O tempo de contacto por terminal deve ser inferior a 3 segundos, com intervalos de mais de 2 segundos entre a soldadura de cada terminal. O retrabalho é fortemente desencorajado. Se for inevitável, deve ser utilizado um ferro de soldar de dupla cabeça especializado para aquecer simultaneamente ambos os terminais, e o efeito nas características do dispositivo deve ser verificado previamente.

6. Embalagem e Informação de Encomenda

6.1 Especificações da Fita e Bobina

O produto é fornecido em fita transportadora relevada de 8mm de largura em bobinas de 7 polegadas (178mm) de diâmetro. Cada bobina contém 2000 peças. São fornecidas dimensões detalhadas da fita transportadora e da bobina para garantir compatibilidade com equipamentos automatizados de pick-and-place.

6.2 Especificação da Etiqueta

A etiqueta da bobina inclui informações padrão como Número de Peça do Cliente (CPN), Número de Peça do Fabricante (P/N), Número do Lote, Quantidade, Comprimento de Onda de Pico (HUE), Categorias (CAT), Referência (REF), Nível de Sensibilidade à Humidade (MSL-X) e País de Fabricação.

7. Considerações de Projeto de Aplicação

7.1 Proteção do Circuito

Nota Crítica:A ficha técnica alerta explicitamente que uma resistência limitadora de corrente externadeveser utilizada em série com o fotodíodo. Sem esta resistência, uma ligeira variação de tensão pode causar uma grande mudança de corrente, potencialmente levando à queima imediata do dispositivo. O valor da resistência deve ser calculado com base na tensão de alimentação e na fotocorrente máxima esperada.

7.2 Modos de Polarização

O fotodíodo pode ser utilizado em dois modos principais:

1. Modo Fotovoltaico (Polarização Zero):O fotodíodo gera uma tensão/corrente quando iluminado, sem polarização externa aplicada. Este modo oferece corrente de escuridão e ruído muito baixos, mas tem tempos de resposta mais lentos.
2. Modo Fotocondutor (Polarização Reversa):É aplicada uma tensão reversa externa (ex., 5V como na condição de teste). Isto alarga a região de depleção, reduzindo a capacitância da junção e, assim, aumentando a velocidade e a largura de banda. Também melhora a linearidade, mas aumenta a corrente de escuridão.

A escolha depende do requisito da aplicação em termos de velocidade versus desempenho de ruído.

7.3 Interface com Amplificadores

Para amplificar a pequena fotocorrente (gama de μA), é comummente utilizado um circuito de amplificador de transimpedância (TIA). Este circuito converte a corrente do fotodíodo numa tensão de saída proporcional. Considerações-chave de projeto para o TIA incluem a seleção de um amplificador operacional com baixa corrente de polarização de entrada e baixo ruído, e o cálculo da resistência e capacitância de realimentação para o ganho e largura de banda desejados, mantendo a estabilidade.

8. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado com fototransístores, este fotodíodo de Silício PIN oferece velocidade e linearidade superiores devido à sua região intrínseca, que reduz a capacitância. A sua resposta depende puramente da luz incidente, ao contrário de um fototransístor que tem ganho de corrente e pode ser mais lento e menos linear. Comparado com outros fotodíodos, o seu pacote 1206 oferece um bom equilíbrio entre miniaturização e facilidade de manuseamento/montagem, enquanto a sua alta tensão de ruptura e o emparelhamento espectral específico com IREDs de 940nm são vantagens distintas para aplicações de sensoriamento de infravermelhos direcionadas.

9. Perguntas Frequentes (FAQ)

9.1 Qual é a diferença entre I_SCe I_L?

I_SC(Corrente de Curto-Circuito) é medida com zero volts através do díodo (modo fotovoltaico). I_L(Corrente Luminosa Reversa) é medida com uma tensão de polarização reversa aplicada (modo fotocondutor). I_Lé tipicamente muito próximo de I_SCpara fotodíodos PIN.

9.2 Por que é obrigatória uma resistência em série?

Um fotodíodo, quando iluminado, atua essencialmente como uma fonte de corrente. Se ligado diretamente a uma fonte de tensão sem uma resistência em série, não há mecanismo para limitar a corrente, levando a uma dissipação de potência excessiva e falha instantânea.

9.3 Como seleciono a tensão reversa de operação?

Para o modo fotocondutor, pode ser utilizada uma tensão reversa entre 5V e um valor seguramente abaixo do valor máximo de 32V. Uma polarização reversa mais elevada reduz ainda mais a capacitância (aumentando a velocidade) mas também aumenta ligeiramente a corrente de escuridão. Um ponto de operação comum é 5V ou 12V.

10. Estudo de Caso de Projeto e Utilização

Caso: Contagem de Objetos numa Correia Transportadora

Um LED infravermelho (940nm) é colocado num lado da correia, e o fotodíodo PD15-21B/TR8 é colocado diretamente oposto. Os objetos que passam entre eles interrompem o feixe infravermelho. O fotodíodo opera em modo fotocondutor com uma polarização reversa de 5V fornecida através de uma resistência de 10kΩ em série para proteção. A queda de tensão numa resistência de carga (ou a saída de um amplificador de transimpedância ligado ao fotodíodo) é monitorizada por um microcontrolador. Uma queda súbita nesta tensão indica a presença de um objeto, desencadeando uma contagem. O tempo de resposta rápido do fotodíodo permite uma contagem precisa de objetos que se movem a alta velocidade. O pequeno pacote 1206 facilita a integração num cabeçote de sensor compacto.

11. Princípio de Funcionamento

Um fotodíodo PIN é um dispositivo semicondutor com uma região intrínseca (I) larga e levemente dopada, intercalada entre regiões do tipo P e 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 do campo elétrico interno (ou de uma polarização reversa externamente aplicada), estes portadores de carga são separados, gerando uma fotocorrente que é proporcional à intensidade da luz incidente. A região intrínseca reduz a capacitância da junção, permitindo tempos de resposta mais rápidos em comparação com fotodíodos PN padrão.

12. Tendências da Indústria

A tendência na optoeletrónica continua a avançar para uma maior miniaturização, maior integração e melhor desempenho. Existe uma procura crescente por sensores em eletrónica de consumo (smartphones, wearables), automóvel (LiDAR, monitorização do condutor) e IoT industrial. Fotodíodos como o PD15-21B/TR8, que oferecem um equilíbrio entre desempenho, tamanho e custo, estão bem posicionados para estes mercados. Desenvolvimentos futuros podem incluir fotodíodos integrados com amplificação no chip e interfaces digitais, bem como dispositivos sensíveis a comprimentos de onda específicos para aplicações de análise espectral.

Aviso Legal: A informação fornecida neste documento é para referência técnica. Os projetistas devem verificar todos os parâmetros e garantir que a sua aplicação opera dentro dos valores máximos absolutos especificados. O desempenho pode variar com as condições de operação.