PD204-6B 3mm Fotodiode Datenblatt - 3mm Durchmesser - 32V Sperrspannung - 940nm Spitzenempfindlichkeit - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Die PD204-6B ist eine leistungsstarke Silizium-PIN-Fotodiode für Anwendungen, die schnelles Ansprechverhalten und hohe Empfindlichkeit für Licht im sichtbaren und nahen Infrarotspektrum erfordern. In einem standardmäßigen 3mm schwarzen Kunststoffgehäuse untergebracht, bietet dieses Bauteil zuverlässige optische Erfassungsfähigkeiten. Ihr spektrales Ansprechverhalten ist speziell darauf abgestimmt, sichtbare und infrarotemittierende Dioden (IREDs) zu ergänzen, was sie zu einer idealen Empfangskomponente in optoelektronischen Systemen macht. Das Bauteil ist aus bleifreien Materialien gefertigt und entspricht den relevanten Umweltvorschriften, was die Eignung für die moderne Elektronikfertigung sicherstellt.

2. Hauptmerkmale und Kernvorteile

Die PD204-6B zeichnet sich durch mehrere kritische Leistungsmerkmale aus, die anspruchsvolle Sensoranwendungen bedienen.

• Schnelle Ansprechzeit:Das Bauteil weist eine typische Anstiegs-/Abfallzeit von 6 Nanosekunden auf (unter den spezifizierten Testbedingungen VR=10V, RL=100Ω), wodurch es schnelle Änderungen der Lichtintensität erfassen kann. Dies ist entscheidend für Anwendungen wie Datenübertragung, Objekterkennung und zeitkritische Messungen.
• Hohe Lichtempfindlichkeit:Mit einem typischen Kurzschlussstrom (I_SC) von 3,0 μA bei einer Bestrahlungsstärke von 1 mW/cm² bei 940nm liefert die Fotodiode ein starkes elektrisches Signal bereits bei geringen Lichtpegeln, was das Signal-Rausch-Verhältnis und die Systemzuverlässigkeit verbessert.
• Geringe Sperrschichtkapazität:Eine niedrige typische Gesamtkapazität (C_t) von 5 pF bei VR=5V und 1MHz trägt zur schnellen Ansprechzeit bei und ermöglicht den Betrieb in Schaltungen mit höherer Bandbreite ohne signifikante Signalverschlechterung.
• Robuste Bauweise:Das Bauteil verfügt über eine schwarze Linse, die unerwünschte Störungen durch Umgebungslicht minimiert, und ist in einem robusten, industrieüblichen 3mm-Gehäuse untergebracht.
• Umweltkonformität:Das Produkt ist bleifrei und so konzipiert, dass es den RoHS- und EU-REACH-Verordnungen entspricht, was globale Umwelt- und Sicherheitsstandards adressiert.

3. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Das Verständnis der elektrischen und optischen Spezifikationen ist für einen korrekten Schaltungsentwurf und die Integration unerlässlich.

3.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Der Betrieb sollte stets innerhalb dieser Grenzen gehalten werden.

• Sperrspannung (V_R):32 V. Dies ist die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Fotodiodenanschlüsse angelegt werden darf.
• Verlustleistung (P_C):150 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur. Dieser Wert nimmt mit steigender Umgebungstemperatur ab, wie in der Derating-Kurve dargestellt.
• Betriebstemperatur (T_opr):-40°C bis +85°C. Das Bauteil ist für den korrekten Betrieb in diesem weiten industriellen Temperaturbereich spezifiziert.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +100°C.
• Löttemperatur (T_sol):260°C. Dies gibt die Parameter für den Reflow-Lötprozess vor.

3.2 Elektro-optische Kenngrößen (Ta=25°C)

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen. Typische Werte repräsentieren die Mitte der Verteilung, während Mindest- und Höchstwerte die garantierten Grenzen definieren.

• Spektrale Empfindlichkeit:Die Fotodiode ist in einem Bereich von etwa 840 nm bis 1100 nm empfindlich (bei den 0,5 relativen Empfindlichkeitspunkten), mit einer Spitzenempfindlichkeit (λ_P) bei 940 nm. Dies macht sie perfekt geeignet für die Kombination mit 940nm Infrarot-LEDs.
• Photostromerzeugung:
  • Kurzschlussstrom (I_SC):Typ. 3,0 μA bei E_e=1mW/cm², λ_p=940nm. Dies ist der Strom, der bei null Volt über der Diode erzeugt wird (Photovoltaik-Modus).
  • Sperrlichtstrom (I_L):Min. 1,0 μA, Typ. 3,0 μA bei E_e=1mW/cm², λ_p=940nm, V_R=5V. Dies ist der Strom, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, was der häufigste Betriebsmodus für Geschwindigkeit und Linearität ist.
• Dunkelstrom (I_D):Max. 10 nA bei V_R=10V, E_e=0mW/cm². Dies ist der geringe Leckstrom, der fließt, wenn kein Licht vorhanden ist. Ein niedriger Dunkelstrom ist entscheidend für die Erfassung schwacher Lichtsignale.
• Leerlaufspannung (V_OC):Typ. 0,42 V bei E_e=1mW/cm², λ_p=940nm. Dies ist die Spannung, die an einem offenen Stromkreis unter Beleuchtung erzeugt wird.
• Kapazität (C_t):Typ. 5 pF bei V_R=5V, f=1MHz. Diese Sperrschichtkapazität beeinflusst die RC-Zeitkonstante und damit die Bandbreite der Erfassungsschaltung.
• Ansprechgeschwindigkeit (t_r/t_f):Typ. 6 ns bei V_R=10V, R_L=100Ω. Definiert, wie schnell der Ausgangsstrom einer Änderung des Eingangslichts folgen kann.

4. Analyse der Kennlinien

Grafische Daten geben Aufschluss darüber, wie sich Parameter mit den Betriebsbedingungen ändern.

4.1 Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur

Die Derating-Kurve zeigt, dass die maximal zulässige Verlustleistung linear abnimmt, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt. Entwickler müssen sicherstellen, dass der Arbeitspunkt (Sperrspannung * Photostrom + Dunkelstrom) diese Kurve nicht überschreitet, um eine thermische Überlastung zu verhindern.

4.2 Spektrale Empfindlichkeit

Die spektrale Empfindlichkeitskurve veranschaulicht die relative Empfindlichkeit der Fotodiode als Funktion der Wellenlänge. Sie bestätigt das Maximum bei 940nm und die nutzbare Bandbreite von etwa 840nm bis 1100nm. Das Material der schwarzen Linse formt dieses Ansprechverhalten und filtert einige kürzere Wellenlängen heraus.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

Die PD204-6B verwendet ein standardmäßiges radiales 3mm-Durchmesser-Gehäuse.

5.1 Gehäuseabmessungen

Die Maßzeichnung liefert kritische Maße für das PCB-Footprint-Design und die mechanische Integration. Wichtige Abmessungen sind der Gesamtdurchmesser (3mm), der Anschlussabstand, der Anschlussdurchmesser und die Bauteilhöhe. Alle nicht spezifizierten Toleranzen betragen ±0,25mm. Die Kathode wird typischerweise durch einen längeren Anschluss oder eine flache Stelle am Gehäuserand gekennzeichnet.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Die korrekte Polarität ist essentiell. Das Bauteil ist eine Diode. Die Anode ist typischerweise der kürzere Anschluss oder der Anschluss neben der flachen Seite des Gehäuses. Das Anlegen einer Sperrspannung (positive Spannung an Kathode, negative an Anode) ist der Standardbetriebszustand für den Fotoleitfähigkeitsmodus.

6. Löt- und Montagerichtlinien

• Reflow-Löten:Die maximale Löttemperatur ist mit 260°C spezifiziert. Standard-Infrarot- oder Konvektions-Reflow-Profile für bleifreie Baugruppen sind anwendbar. Die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur sollte gemäß Industriestandards kontrolliert werden, um Gehäuseschäden zu verhindern.
• Handlöten:Falls Handlöten erforderlich ist, verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze. Begrenzen Sie die Kontaktzeit auf weniger als 3 Sekunden pro Anschluss bei einer Temperatur von maximal 350°C, um thermische Belastung des Kunststoffgehäuses und des internen Halbleiterchips zu vermeiden.
• Reinigung:Verwenden Sie Reinigungsmittel, die mit dem schwarzen Kunststoff-Epoxidmaterial kompatibel sind. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung, es sei denn, sie wurde als sicher für das Bauteil verifiziert.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, inerten Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -40°C bis +100°C. Verwenden Sie es innerhalb von 12 Monaten nach dem Versanddatum, um die Konformität mit den veröffentlichten Spezifikationen zu gewährleisten.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

7.1 Verpackungsspezifikation

Das Produkt ist in antistatischen Beuteln verpackt. Die Standardpackungsmenge beträgt 200 bis 1000 Stück pro Beutel. Vier Beutel werden in einen Innenkarton gepackt, und ein Innenkarton wird in einem Außenkarton versendet.

7.2 Etiketteninformationen

Das Beuteletikett enthält wesentliche Rückverfolgbarkeits- und Produktinformationen, einschließlich der Teilenummer (P/N), Menge (QTY), Losnummer (LOT No.) und Datumscode. Das Produkt wird nicht nach spezifischen Parametern wie Lichtstärke oder Wellenlänge sortiert oder klassifiziert; es wird gemäß der Standardtabelle der elektro-optischen Kenngrößen geliefert.

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die PD204-6B wird üblicherweise in zwei primären Schaltungskonfigurationen verwendet:

1. Fotoleitfähigkeitsmodus (Sperrspannungsbetrieb):Dies ist der bevorzugte Modus für schnellen und linearen Betrieb. Eine Sperrspannung (z.B. 5V bis 10V, unterhalb von V_R=32V) wird angelegt. Der Photostrom (I_L) fließt durch einen Lastwiderstand (R_L). Der Spannungsabfall über R_List das Ausgangssignal. Ein kleinerer R_Lergibt eine schnellere Ansprechzeit, aber eine niedrigere Ausgangsspannung. Ein Transimpedanzverstärker (TIA) wird oft verwendet, um den Photostrom mit hoher Verstärkung und Bandbreite in eine Spannung umzuwandeln.
2. Photovoltaikmodus (Nullspannungsbetrieb):Die Fotodiode wird direkt an eine hochohmige Last (wie einen Operationsverstärkereingang) angeschlossen. Sie erzeugt eine Spannung (V_OC), die proportional zur Lichtintensität ist. Dieser Modus bietet geringes Rauschen, hat aber eine langsamere Ansprechzeit und ist weniger linear.

8.2 Designüberlegungen

• Vorspannung:Für beste Geschwindigkeit und Linearität im Sperrspannungsbetrieb arbeiten. Sicherstellen, dass die Vorspannung plus jegliche Signalspannung den Maximalwert von 32V nicht überschreitet.
• Bandbreite und Last:Die Gesamtkapazität (Fotodiode + Verstärkereingang) und der Lastwiderstand bilden den dominierenden Pol, der die Bandbreite begrenzt (BW ≈ 1/(2πRC)). Wählen Sie R_Loder den TIA-Rückkopplungswiderstand entsprechend.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Die schwarze Linse hilft, aber für Umgebungen mit hohem Umgebungslicht sollten optische Filterung (z.B. ein 940nm Bandpassfilter) und die Modulation der IR-Quelle mit synchroner Detektion in Betracht gezogen werden.
• PCB-Layout:Halten Sie die Fotodiode nahe am Verstärkereingang, um Streukapazität und Störeinstrahlung zu minimieren. Verwenden Sie eine Massefläche zur Abschirmung. Bypass der Vorspannungsversorgung mit einem Kondensator nahe dem Bauteil.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Fototransistoren bietet die PD204-6B PIN-Fotodiode deutlich schnellere Ansprechzeiten (Nanosekunden vs. Mikrosekunden) und eine bessere Linearität über einen weiten Lichtintensitätsbereich. Sie hat keine interne Verstärkung, was zu einem geringeren Ausgangsstrom, aber auch zu einer geringeren Temperaturabhängigkeit und einer vorhersehbareren Leistung führt. Im Vergleich zu anderen Fotodioden macht ihre Kombination aus 3mm-Gehäuse, 940nm Spitzenempfindlichkeit, 32V Sperrspannung und hoher Geschwindigkeit sie zu einer vielseitigen Wahl für allgemeine IR-Sensoranwendungen.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQs)

F: Was ist der Unterschied zwischen I_SCund I_L?

A: I_SC(Kurzschlussstrom) wird bei null Volt über der Diode gemessen. I_L(Sperrlichtstrom) wird mit einer spezifizierten angelegten Sperrspannung gemessen. I_Lliegt typischerweise sehr nahe an I_SCund ist der Parameter, der für den Entwurf im üblichen Sperrspannungsmodus verwendet wird.

F: Wie wandle ich den Photostrom in eine nutzbare Spannung um?

A: Die einfachste Methode ist ein Lastwiderstand (V_out= I_L* R_L). Für eine bessere Leistung verwenden Sie einen Transimpedanzverstärker, der an der Fotodiodenkathode einen niederohmigen virtuellen Massepunkt bereitstellt, was Geschwindigkeit und Linearität maximiert, und V_out= -I_L* R_feedback.

F: Kann ich diese mit einer sichtbaren Lichtquelle verwenden?

A: Ja, aber mit reduzierter Empfindlichkeit. Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt, dass sie bis hinunter zu sichtbaren Wellenlängen empfindlich ist, aber ihr Maximum liegt im Infrarotbereich. Für optimale Leistung mit einer sichtbaren Quelle wäre eine Fotodiode mit einem Maximum im sichtbaren Spektrum (z.B. 550-650nm) besser geeignet.

F: Was ist der Zweck des Tests der Sperrspannungsdurchbruchspannung (V_BR)?

A: Es ist ein Qualitäts- und Robustheitstest, der die Spannung angibt, bei der die Diode in den Lawinendurchbruch eintritt. Der normale Betrieb sollte stets deutlich unter diesem Wert liegen (typischerweise wird V_Rvon 5V-10V verwendet).

11. Praktische Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Objekt-Annäherungssensor in einer automatischen Tür.Eine IR-LED (940nm) und die PD204-6B sind auf beiden Seiten eines Türrahmens angebracht. Wenn der Strahl ununterbrochen ist, wird ein konstanter Photostrom detektiert. Wenn eine Person den Strahl unterbricht, löst der Abfall des Photostroms den Türöffnungsmechanismus aus. Die schnelle Reaktion der PD204-6B gewährleistet eine sofortige Erkennung.

Beispiel 2: Papiererkennung in einem Kopierer.Die Fotodiode kann verwendet werden, um das Vorhandensein oder Fehlen von Papier zu erkennen, indem ein IR-Strahl von der Papieroberfläche reflektiert wird. Die hohe Empfindlichkeit ermöglicht die Arbeit mit Papieren geringer Reflektivität, und das kleine Gehäuse passt in enge Räume.

Beispiel 3: Einfache Datenverbindung.Durch Modulation einer IR-LED mit einer Frequenz innerhalb der Bandbreite der Fotodiode (die mit geeignetem Schaltungsentwurf mehrere MHz betragen kann), kann die PD204-6B für drahtlose Kommunikation mit kurzer Reichweite und niedriger Datenrate verwendet werden, wie z.B. in Fernbedienungen oder Sensor-Telemetrie.

12. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement mit einer breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Zone, die zwischen P- und N-dotierten Zonen eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters in der intrinsischen Zone absorbiert werden, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Unter dem Einfluss eines internen eingebauten Potenzials (im Photovoltaikmodus) oder eines angelegten elektrischen Feldes in Sperrrichtung (im Fotoleitfähigkeitsmodus) werden diese Ladungsträger auseinandergetrieben und erzeugen einen Photostrom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Zone verringert die Sperrschichtkapazität (ermöglicht hohe Geschwindigkeit) und erhöht das Volumen für die Photonenabsorption (verbessert die Empfindlichkeit).

13. Branchentrends und Kontext

Fotodioden wie die PD204-6B sind grundlegende Komponenten im wachsenden Bereich der Optoelektronik und Sensorik. Trends umfassen eine zunehmende Integration mit On-Chip-Verstärkung und Signalaufbereitung (z.B. in integrierten optischen Sensoren), die Nachfrage nach höherer Geschwindigkeit zur Unterstützung von LiDAR und optischer Kommunikation sowie Anforderungen an kleinere Gehäusegrößen für Unterhaltungselektronik und IoT-Geräte. Es gibt auch einen kontinuierlichen Drang zu verbesserter Leistung über breitere Temperaturbereiche und geringerem Stromverbrauch. Bauteile mit standardisierten Abmessungen und gut charakterisierter Leistung, wie dieses, bleiben für eine Vielzahl von industriellen, kommerziellen und automobilen Sensoranwendungen, bei denen Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz von größter Bedeutung sind, unerlässlich.

Haftungsausschluss: Die in diesem Dokument bereitgestellten Informationen dienen der technischen Referenz. Entwickler sollten alle Parameter unter ihren spezifischen Anwendungsbedingungen überprüfen. Absolute Maximalwerte dürfen nicht überschritten werden. Der Hersteller übernimmt keine Haftung für Anwendungen, die nicht den bereitgestellten Spezifikationen entsprechen.