Phototransistor PD204-6B/L3 Datenblatt - 3mm Gehäuse - Spitzenempfindlichkeit 940nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der PD204-6B/L3 ist eine hochgeschwindige, hochempfindliche Silizium-PIN-Fotodiode in einem standardmäßigen 3mm-Kunststoffgehäuse. Dieses Bauteil ist spektral auf sichtbare und infrarotemittierende Dioden abgestimmt, wobei seine Spitzenempfindlichkeit für die Wellenlänge 940nm optimiert ist. Dies macht ihn geeignet für eine Vielzahl von Sensoranwendungen, die schnelles Ansprechen und zuverlässige Leistung erfordern.

Zu den Hauptvorteilen dieses Bauteils zählen seine schnelle Ansprechzeit, hohe Lichtempfindlichkeit und geringe Sperrschichtkapazität, die zu einer effizienten Signalerfassung beitragen. Das Produkt entspricht den RoHS- und EU-REACH-Verordnungen und wird als bleifreies (Pb-freies) Bauteil hergestellt.

2. Detaillierte technische Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für einen zuverlässigen Betrieb innerhalb spezifizierter Umgebungs- und elektrischer Grenzwerte ausgelegt. Das Überschreiten dieser Werte kann dauerhafte Schäden verursachen.

• Sperrspannung (VR):32 V - Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung an die Anschlüsse der Fotodiode angelegt werden kann.
• Betriebstemperatur (Topr):-25°C bis +85°C - Der Umgebungstemperaturbereich für den normalen Betrieb des Bauteils.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +100°C - Der Temperaturbereich für die sichere Lagerung, wenn das Bauteil nicht unter Spannung steht.
• Löttemperatur (Tsol):260°C für maximal 5 Sekunden, gemäß Standard-Reflow-Lötprofilen.
• Verlustleistung (Pc):150 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Kernleistung des Fototransistors unter Standardtestbedingungen (Ta=25°C).

• Spektralbandbreite (λ0.5):760 nm bis 1100 nm. Dies definiert den Wellenlängenbereich, in dem das Bauteil mindestens die Hälfte seiner Spitzenempfindlichkeit beibehält.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λP):940 nm (typisch). Das Bauteil reagiert am empfindlichsten auf Licht dieser Infrarotwellenlänge.
• Leerlaufspannung (VOC):0,42 V (typisch) bei einer Bestrahlungsstärke (Ee) von 1 mW/cm² bei 940nm.
• Kurzschlussstrom (ISC):4,3 μA (typisch) unter denselben Testbedingungen (Ee=1mW/cm², λp=940nm).
• Fotostrom (IL):3,9 μA (Min), 6 μA (typ) bei VR=5V, Ee=1mW/cm², λp=940nm. Dies ist der Fotostrom, der erzeugt wird, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und beleuchtet ist.
• Dunkelstrom (ID):10 nA (Max) bei VR=10V in völliger Dunkelheit (Ee=0mW/cm²). Dies ist der geringe Leckstrom, der auch bei Abwesenheit von Licht fließt.
• Durchbruchspannung (VBR):32 V (Min) gemessen bei einem Sperrstrom (IR) von 100μA im Dunkeln.
• Gesamtkapazität (Ct):10 pF (typisch) bei VR=5V und einer Frequenz von 1MHz. Eine geringere Kapazität ermöglicht schnellere Schaltgeschwindigkeiten.
• Anstiegs-/Abfallzeit (tr/tf):10 ns / 10 ns (typisch) bei VR=10V und einem Lastwiderstand (RL) von 100Ω, was auf eine sehr schnelle Reaktion hinweist, die für die gepulste Lichterkennung geeignet ist.
• Öffnungswinkel (2θ1/2):45° (typisch). Dies definiert das Winkel-Sichtfeld, über das das Bauteil seine Empfindlichkeit beibehält.

Toleranzen sind mit ±10% für die Lichtstärke, ±1nm für die dominante Wellenlänge und ±0,1V für die Flussspannung in verwandten Anwendungen spezifiziert.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Diese sind für Entwicklungsingenieure unerlässlich, um die Leistung in realen Szenarien vorherzusagen.

3.1 Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve zeigt, wie die maximal zulässige Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur über 25°C abnimmt. Entwickler müssen die Leistungsfähigkeit entsprechend herunterstufen, um langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

3.2 Spektrale Empfindlichkeit

Die spektrale Empfindlichkeitskurve bestätigt die Spitzenempfindlichkeit des Bauteils bei 940nm und seinen nutzbaren Bereich von etwa 760nm bis 1100nm. Sie unterstreicht die Eignung des Bauteils für Anwendungen mit gängigen Infrarot-LEDs.

3.3 Dunkelstrom vs. Umgebungstemperatur

Der Dunkelstrom steigt exponentiell mit der Temperatur an. Diese Kurve ist entscheidend für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen, da ein höherer Dunkelstrom zum Rauschen beiträgt und das Signal-Rausch-Verhältnis bei schwachem Licht beeinträchtigen kann.

3.4 Fotostrom vs. Bestrahlungsstärke (Ee)

Diese Darstellung zeigt den linearen Zusammenhang zwischen dem erzeugten Fotostrom (IL) und der einfallenden Lichtintensität (Bestrahlungsstärke) über einen bestimmten Bereich. Sie bestätigt die vorhersehbare und lineare photometrische Reaktion des Bauteils.

3.5 Kapazität vs. Sperrspannung

Die Sperrschichtkapazität (Ct) nimmt mit zunehmender Sperrspannung ab. Eine niedrigere Kapazität ist für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wünschenswert, und diese Kurve hilft bei der Auswahl eines optimalen Betriebsvorspannungspunktes.

3.6 Ansprechzeit vs. Lastwiderstand

Diese Kurve zeigt, wie die Anstiegs- und Abfallzeiten (tr/tf) durch den Wert des externen Lastwiderstands (RL) beeinflusst werden. Schnelleres Ansprechen wird mit kleineren Lastwiderständen erreicht, was jedoch auf Kosten der Signalamplitude geht.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges 3mm-Radialgehäuse mit Anschlussdrähten. Die Maßzeichnung gibt den Gehäusedurchmesser, den Anschlussabstand und die Anschlussabmessungen an. Alle nicht spezifizierten Toleranzen betragen ±0,25mm. Die Linsenfarbe ist schwarz.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Kathode (negativer Anschluss) ist typischerweise durch eine flache Stelle am Gehäuse oder einen längeren Anschlussdraht gekennzeichnet. Während des Schaltungsaufbaus muss die korrekte Polarität beachtet werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb in Sperrrichtung zu gewährleisten.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für Standard-Leiterplattenmontageprozesse geeignet.

• Reflow-Löten:Die maximale Löttemperatur beträgt 260°C, und die Zeit bei oder über dieser Temperatur darf 5 Sekunden nicht überschreiten, um thermische Schäden am Kunststoffgehäuse und dem Halbleiterchip zu verhindern.
• Handlöten:Falls Handlöten erforderlich ist, sollte ein temperaturgeregeltes Lötgerät mit minimaler Kontaktzeit (typischerweise weniger als 3 Sekunden pro Anschluss) verwendet werden.
• Reinigung:Verwenden Sie Reinigungsmittel, die mit dem Kunststoffgehäusematerial kompatibel sind.
• Lagerung:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Lagertemperaturbereichs von -40°C bis +100°C.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Packungsmengenspezifikation

Die Standardverpackung ist wie folgt: 200-1000 Stück pro Beutel, 4 Beutel pro Karton und 10 Kartons pro Versandkarton. Dies bietet Flexibilität sowohl für Prototypen als auch für die Serienfertigung.

6.2 Etikettierungsform

Das Produktetikett enthält wichtige Informationen für Rückverfolgbarkeit und Identifikation:

• CPN:Kundenspezifische Artikelnummer
• P/N:Artikelnummer (z.B. PD204-6B/L3)
• QTY:Packungsmenge
• CAT, HUE, REF:Klassifizierung für Lichtstärke, dominante Wellenlänge und Flussspannung (falls sortiert).
• LOT No:Fertigungslosnummer für die Rückverfolgbarkeit.
• X:Produktionsmonat.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Der PD204-6B/L3 eignet sich gut für verschiedene optoelektronische Sensoranwendungen, darunter:

• Automatische Türsensoren:Erkennung der Unterbrechung eines Infrarotstrahls zum Auslösen von Türöffnungs-/Schließmechanismen.
• Kopierer und Drucker:Verwendung für Papiererkennung, Kantensensorik oder Tonerstandüberwachung.
• Spielautomaten/Arcade-Systeme:Für Objekterkennung, interaktive Steuerungen oder Positionssensorik.
• Allgemeine Infrarotsensorik:Fernbedienungsempfänger, Annäherungssensoren und Industrieautomatisierung, wo eine schnelle, zuverlässige Erkennung von 940nm-IR-Licht erforderlich ist.

7.2 Designüberlegungen

• Vorspannungsschaltung:Betreiben Sie die Fotodiode in Sperrrichtung (fotoleitender Modus) für optimale Geschwindigkeit und Linearität. Eine Sperrspannung von 5V bis 10V ist typisch, wie in den Spezifikationen gezeigt.
• Lastwiderstand (RL):Wählen Sie RL basierend auf dem erforderlichen Kompromiss zwischen Ansprechgeschwindigkeit (Bandbreite) und Ausgangsspannungsausschlag. Eine Transimpedanzverstärker-Schaltung (TIA) wird empfohlen, um den kleinen Fotostrom in eine nutzbare Spannung umzuwandeln und dabei hohe Geschwindigkeit und geringes Rauschen beizubehalten.
• Optische Überlegungen:Sorgen Sie für eine korrekte Ausrichtung zur Lichtquelle (typischerweise eine IR-LED bei 940nm). Der Öffnungswinkel von 45° sollte für das Sichtfeld berücksichtigt werden. Die Verwendung eines optischen Filters kann helfen, unerwünschtes Umgebungslicht, insbesondere sichtbares Licht, zu blockieren.
• Rauschunterdrückung:Für empfindliche Anwendungen sollten das Bauteil und seine Schaltung vor elektrischem Rauschen abgeschirmt werden. Halten Sie Leiterbahnlängen kurz, verwenden Sie Entkopplungskondensatoren und berücksichtigen Sie die Auswirkung des Dunkelstroms bei hohen Betriebstemperaturen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu Standard-Fotodioden oder Fototransistoren mit langsamerer Ansprechzeit bietet der PD204-6B/L3 deutliche Vorteile:

• Hohe Geschwindigkeit:Mit Anstiegs-/Abfallzeiten von 10ns ist er deutlich schneller als viele Allzweck-Fototransistoren und ermöglicht die Erkennung schnell modulierter Signale.
• PIN-Struktur:Die PIN-Fotodiodenkonstruktion bietet eine breitere Sperrschicht als eine Standard-PN-Fotodiode, was zu einer geringeren Sperrschichtkapazität (10pF) und höherer Geschwindigkeit führt.
• Optimiertes Spektrum:Die Spitzenempfindlichkeit bei 940nm ist präzise auf die Ausgabe gängiger, kostengünstiger Infrarot-LEDs abgestimmt und maximiert so die Systemeffizienz.
• Standardgehäuse:Das 3mm-Radialgehäuse ist ein gängiges Industrie-Formfaktor, was die Integration in bestehende Designs erleichtert und die Kompatibilität mit Standard-Leiterplattenlayouts gewährleistet.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen Betrieb im fotovoltaischen (Null-Vorspannung) und fotoleitenden (Sperrspannung) Modus?

Im fotovoltaischen Modus (V_R=0V) erzeugt die Fotodiode eine Spannung (V_OC). Dieser Modus hat keinen Dunkelstrom, aber eine langsamere Reaktion und geringere Linearität. Die PD204-6B/L3-Spezifikationen listen VOC=0,42V auf. Im fotoleitenden Modus (mit Sperrspannung, z.B. V_R=5V) wird eine externe Spannung angelegt. Dies verringert die Sperrschichtkapazität (ermöglicht schnellere Reaktion, wie bei den 10ns tr/tf zu sehen), verbessert die Linearität und ermöglicht eine größere aktive Region, führt aber Dunkelstrom (I_D) ein. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, wie sie für dieses Bauteil vorgesehen sind, wird der fotoleitende Modus empfohlen.

9.2 Wie wandle ich den Fotostrom (I_L) in eine messbare Spannung um?

Die einfachste Methode ist die Verwendung eines Lastwiderstands (R_L) in Reihe. Die Ausgangsspannung ist V_out = I_L * R_L. Wenn jedoch R_L zunimmt, nimmt die RC-Zeitkonstante (mit der Diodenkapazität) zu, was die Reaktion verlangsamt (wie in der Kurve "Ansprechzeit vs. Lastwiderstand" gezeigt). Für optimale Leistung, insbesondere bei kleinen Strömen und Bedarf an Geschwindigkeit, ist ein Transimpedanzverstärker (TIA) die bevorzugte Schaltung. Er liefert eine stabile, niederohmige Ausgangsspannung (V_out = -I_L * R_f), während die Fotodiode auf virtuellem Massepotential gehalten wird, wodurch die Auswirkungen der Kapazität minimiert werden.

9.3 Warum ist der Dunkelstrom wichtig und wie beeinflusst ihn die Temperatur?

Dunkelstrom (I_D) ist der Rauschstrom, der fließt, wenn kein Licht vorhanden ist. Er setzt die untere Grenze des detektierbaren Lichts. Das Datenblatt gibt ein Maximum von 10nA bei 25°C an. Dieser Strom verdoppelt sich ungefähr alle 10°C Temperaturanstieg. Daher kann in Hochtemperaturumgebungen oder bei der Erkennung von sehr schwachem Licht der Dunkelstrom zu einer bedeutenden Rauschquelle werden und muss im Schaltungsdesign berücksichtigt werden (z.B. durch Temperaturkompensation oder synchrone Detektionstechniken).

9.4 Kann dieser Sensor mit Lichtquellen außerhalb von 940nm verwendet werden?

Ja, aber mit verringerter Empfindlichkeit. Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt eine signifikante Empfindlichkeit von 760nm bis 1100nm. Zum Beispiel wird er auf 850nm-LEDs reagieren, aber der erzeugte Fotostrom bei gleicher Lichtintensität wird niedriger sein als bei einer 940nm-Quelle. Konsultieren Sie für ein genaues Design stets die relative spektrale Empfindlichkeitskurve (falls vollständig vorhanden) oder berechnen Sie die Empfindlichkeit bei der gewünschten Wellenlänge.

10. Praktische Design-Fallstudie

Design-Fallstudie: Infrarot-Strahlungsunterbrechungssensor für Sicherheitstor.

Ziel:Erstellung eines zuverlässigen, schnellen Sensors, der erkennt, wenn ein Objekt einen unsichtbaren Infrarotstrahl unterbricht, um einen Sicherheitsalarm auszulösen.

Umsetzung:

1. Sender:Eine 940nm-Infrarot-LED wird von einem gepulsten Strom (z.B. 20mA-Impulse bei 38kHz) angesteuert, um Immunität gegen Umgebungslicht zu bieten und den durchschnittlichen Stromverbrauch zu reduzieren.
2. Empfänger:Der PD204-6B/L3 wird gegenüber dem Sender platziert, innerhalb seines 45°-Öffnungswinkels ausgerichtet. Er wird über einen Lastwiderstand mit 5V in Sperrrichtung vorgespannt.
3. Signalkonditionierung:Das kleine AC-Fotostromsignal von der Fotodiode (überlagert auf dem DC-Dunkelstrom) wird einem hochverstärkenden Bandpassverstärker zugeführt, der auf 38kHz abgestimmt ist. Dies filtert DC-Umgebungslicht und niederfrequentes Rauschen heraus.
4. Detektion:Das verstärkte Signal wird dann gleichgerichtet und mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn der Strahl nicht unterbrochen ist, ist ein starkes 38kHz-Signal vorhanden, und der Komparatorausgang ist hoch. Wenn ein Objekt den Strahl unterbricht, verschwindet das Signal, wodurch der Komparator auf niedrig schaltet und den Alarm aktiviert.

Warum PD204-6B/L3 geeignet ist:Seine schnelle 10ns-Ansprechzeit bewältigt problemlos das 38kHz-modulierte Signal. Die hohe Empfindlichkeit bei 940nm gewährleistet ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis von der passenden IR-LED. Die geringe Kapazität ermöglicht eine reaktionsschnelle Schaltung auch mit notwendigen Filterkomponenten.

11. Funktionsprinzip

Eine PIN-Fotodiode wie der PD204-6B/L3 arbeitet nach dem Prinzip des inneren photoelektrischen Effekts. Die Bauteilstruktur besteht aus einer breiten, schwach dotierten intrinsischen (I) Halbleiterregion, die zwischen P-Typ- und N-Typ-Regionen eingebettet ist. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters (z.B. Infrarotlicht bei 940nm für Silizium) auf die intrinsische Region treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, fegt das eingebaute elektrische Feld über die Sperrschicht (die sich durch die intrinsische Schicht erstreckt) diese Ladungsträger zu den jeweiligen Anschlüssen und erzeugt einen Fotostrom (I_L), der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Die breite intrinsische Region verringert die Kapazität und ermöglicht eine effiziente Sammlung von Ladungsträgern, die über ein größeres Volumen erzeugt werden, was sowohl zur Geschwindigkeit als auch zur Empfindlichkeit beiträgt.

12. Branchentrends und Kontext

Fotodetektoren wie der PD204-6B/L3 sind grundlegende Komponenten im wachsenden Bereich der Optoelektronik und Sensorik. Aktuelle Trends, die die Nachfrage nach solchen Bauteilen antreiben, umfassen:

• Automatisierung und Industrie 4.0:Erhöhter Einsatz berührungsloser Sensoren für Position, Präsenz und Qualitätskontrolle in der Fertigung.
• Unterhaltungselektronik:Integration in Geräte für Annäherungssensorik (z.B. Ausschalten von Smartphone-Bildschirmen während Anrufen), Umgebungslichtsensorik zur Display-Helligkeitssteuerung und Gestenerkennung.
• Internet der Dinge (IoT):Energiesparende, zuverlässige Sensoren für Smart-Home-Geräte, Sicherheitssysteme und Umweltüberwachung.
• Fortschritte:Der allgemeine Trend geht in Richtung höherer Integration (z.B. Fotodioden mit On-Chip-Verstärkern), kleinerer Gehäuse (SMD-Bauteile), geringeren Stromverbrauchs und verbesserter Leistung bei bestimmten Wellenlängen für Anwendungen wie LiDAR, biomedizinische Sensorik und optische Kommunikation. Bauteile wie der PD204-6B/L3 stellen eine ausgereifte, zuverlässige und kosteneffektive Lösung für den Mainstream-Bedarf an Infrarotsensorik dar.

13. Haftungsausschluss und Nutzungshinweise

Kritische Nutzungsrichtlinien, die aus dem Haftungsausschluss des Datenblatts abgeleitet sind, umfassen:

1. Spezifikationen können sich ändern. Beziehen Sie sich für das Design stets auf das neueste offizielle Datenblatt.
2. Das Produkt erfüllt seine veröffentlichten Spezifikationen für 12 Monate ab dem Versanddatum unter normalen Lagerbedingungen.
3. Kennlinien zeigen typische Leistungswerte, keine garantierten Mindest- oder Maximalwerte. Entwickeln Sie mit angemessenen Sicherheitsmargen.
4. Halten Sie sich strikt an die absoluten Maximalwerte. Betrieb außerhalb dieser Grenzen kann sofortigen oder latenten Ausfall verursachen. Der Hersteller übernimmt keine Haftung für Schäden, die durch Missbrauch entstehen.
5. Die Informationen sind urheberrechtlich geschützt. Vervielfältigung ohne Genehmigung ist untersagt.
6. Dieses Bauteil istnichtfür sicherheitskritische Anwendungen wie medizinische Lebenserhaltungssysteme, Automobilsteuerung, Luftfahrt oder Militärsysteme ausgelegt oder qualifiziert. Für solche Anwendungen kontaktieren Sie den Hersteller für speziell qualifizierte Produkte.