ALS-PD70-01C/TR7 Umgebungslichtsensor Datenblatt - Abmessungen 4,4x3,9x1,2mm - Spannung 2,5V bis 5,5V - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Der ALS-PD70-01C/TR7 ist ein oberflächenmontierter Umgebungslichtsensor. Er besteht aus einer Photodiode in einem miniaturisierten SMD-Gehäuse, das aus wasserklarem Material mit flacher Oberseite gefertigt ist. Dieser Sensor wurde als effektive Lösung zur Energieeinsparung bei der Display-Hintergrundbeleuchtung in mobilen Geräten wie Mobiltelefonen und PDAs entwickelt. Ein wesentliches Merkmal ist sein hohes Unterdrückungsverhältnis für Infrarotstrahlung, was zu einer spektralen Empfindlichkeit führt, die eng mit der des menschlichen Auges übereinstimmt.

1.1 Kernvorteile

• Spektrale Empfindlichkeit nahe der des menschlichen Auges.
• Geringe Empfindlichkeitsvariation bei verschiedenen Lichtquellen.
• Breiter Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C.
• Breiter Versorgungsspannungsbereich von 2,5V bis 5,5V.
• Kompakte Abmessungen: 4,4mm (L) x 3,9mm (B) x 1,2mm (H).
• Konform mit RoHS, EU REACH und halogenfrei (Br<900ppm, Cl<900ppm, Br+Cl<1500 ppm).

1.2 Zielmarkt und Anwendungen

Dieser Sensor richtet sich primär an tragbare und energiebewusste elektronische Geräte. Seine Hauptanwendungen umfassen:

• Erfassung von Umgebungslicht zur Steuerung der Hintergrundbeleuchtung von TFT-LCD-Displays zur Energieeinsparung.
• Automatische Beleuchtungssteuerungssysteme für Wohn- und Gewerbegebäude.
• Automatische Kontrastverstärkung für elektronische Werbetafeln.
• Umgebungslichtüberwachungsgeräte für Tages- und Kunstlichtbedingungen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb außerhalb dieser Bedingungen wird nicht empfohlen.

• Sperrspannung (V_BR): 35 V (bei I_R=100µA). Dies gibt die maximale Sperrspannung an, die die Photodiode vor dem Durchbruch aushalten kann.
• Flussspannung (V_F): 0,5 V bis 1,3 V (bei I_F=10mA). Dies ist der Spannungsabfall über der Diode im Durchlassbetrieb, relevant für Tests, aber nicht typisch für den Betrieb im Fotoleitfähigkeitsmodus.
• Betriebstemperatur (T_opr): -40°C bis +85°C.
• Lagertemperatur (T_stq): -40°C bis +85°C.
• Löttemperatur (T_sol): 260°C. Dieser Wert ist kritisch für Reflow-Lötprozesse.

2.2 Empfohlene Betriebsbedingungen

Das Bauteil ist für den Betrieb innerhalb der folgenden Bedingungen ausgelegt, um die spezifizierte Leistung zu gewährleisten.

• Betriebstemperatur (T_opr): -40°C bis +85°C.

2.3 Elektrische und optische Kenngrößen

Diese Parameter werden bei T_a=25°C gemessen und definieren die Kernleistung des Sensors.

• Dunkelstrom (I_D): Typ. 2 nA, Max. 10 nA (bei V_R=5V, E_V=0 Lux). Dies ist der geringe Leckstrom bei Abwesenheit von Licht. Ein niedrigerer Wert ist für die Empfindlichkeit bei schwachem Licht vorteilhaft.
• Fotostrom (I_L1): Typ. 1,1 µA (bei V_R=5V, E_V=100 Lux, Weißes Fluoreszenz-/LED-Licht). Dies ist der unter spezifizierter Beleuchtung erzeugte Fotostrom.
• Fotostrom (I_L2): Typ. 9,5 µA (bei V_R=5V, E_V=1000 Lux, Weißes Fluoreszenz-/LED-Licht).
• Fotostrom (I_L3): Typ. 12 µA (bei V_R=5V, E_V=1000 Lux, CIE Normlichtart A / 2856K Glühlampe). Der Unterschied zwischen I_L2und I_L3unterstreicht die unterschiedliche Reaktion des Sensors auf verschiedene Lichtquellenspektren.
• Wellenlänge maximaler Empfindlichkeit (λ_p): Typ. 630 nm. Dies bestätigt, dass die Spitzenempfindlichkeit des Sensors im sichtbaren Rot-Orange-Bereich liegt und somit mit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges übereinstimmt.
• Empfindlichkeits-Wellenlängenbereich (λ): 390 nm bis 700 nm. Dies deckt den Großteil des sichtbaren Lichtspektrums ab, mit starker Unterdrückung von Infrarot- (IR) und Ultraviolett- (UV) Licht.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf mehrere typische elektro-optische Kennlinien, die für Entwicklungsingenieure von entscheidender Bedeutung sind.

3.1 Fotostrom vs. Beleuchtungsstärke

Diese Kurve zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangsfotostrom und dem Umgebungslichtpegel (in Lux). Sie ist typischerweise über einen weiten Bereich linear, was eine einfache Kalibrierung der Lichtpegel in einer Anwendung ermöglicht. Die Steigung dieser Kurve repräsentiert die Empfindlichkeit des Sensors.

3.2 Dunkelstrom vs. Temperatur

Dieses Diagramm veranschaulicht, wie der Dunkelstrom (I_D) mit der Temperatur ansteigt. Da Dunkelstrom als Rauschen wirkt, ist das Verständnis dieser Beziehung für Anwendungen in extremen Temperaturumgebungen entscheidend, um genaue Messungen bei schwachem Licht zu gewährleisten.

3.3 Fotostrom vs. Temperatur

Diese Kurve zeigt die Variation des Fotostroms mit der Temperatur bei einer festen Beleuchtungsstärke. Eine gewisse Temperaturabhängigkeit ist zu erwarten, und diese Daten sind für den Entwurf temperaturkompensierter Schaltungen notwendig, wenn über den gesamten Betriebsbereich hohe Genauigkeit erforderlich ist.

3.4 Fotostrom vs. Versorgungsspannung

Diese Darstellung demonstriert die Stabilität des Fotostromausgangs über den empfohlenen Versorgungsspannungsbereich (2,5V bis 5,5V). Ein stabiler Ausgang über Spannungsänderungen vereinfacht das Netzteil-Design.

3.5 Spektrale Empfindlichkeit

Dies ist eines der wichtigsten Diagramme. Es stellt die relative Empfindlichkeit des Sensors über der Wellenlänge dar. Die Kurve sollte bei etwa 630 nm (wie spezifiziert) ihren Peak haben und einen steilen Abfall jenseits von 700 nm zeigen, was eine effektive IR-Unterdrückung bestätigt. Der Vergleich dieser Kurve mit der CIE photopischen Hellempfindlichkeitsfunktion (Standard-Augenempfindlichkeit) validiert visuell die Behauptung "nahe der Augenempfindlichkeit".

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der Sensor wird in einem SMD-Gehäuse geliefert. Die Hauptabmessungen sind:

• Länge (L): 4,4 mm ±0,1 mm
• Breite (W): 3,9 mm ±0,1 mm
• Höhe (H): 1,2 mm

Detaillierte mechanische Zeichnungen im Datenblatt liefern genaue Maße für das Lötflächenlayout, einschließlich Pad-Größe und -Abstand, die für das PCB-Layout und die Lötstellenzuverlässigkeit entscheidend sind.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Die Zeichnung im Datenblatt zeigt die Kathoden- und Anodenmarkierungen auf dem Gehäuse. Die korrekte Polarisierungsausrichtung während der Montage ist für den ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb unerlässlich.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Parameter für Reflow-Löten

Der absolute Maximalwert für die Löttemperatur beträgt 260°C. Dies bedeutet, dass das Bauteil typische bleifreie Reflow-Profile aushalten kann. Entwickler sollten Standard-SMD-Reflow-Lötverfahren befolgen und sicherstellen, dass die Spitzentemperatur 260°C nicht überschreitet und die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur gemäß den PCB-Montagespezifikationen kontrolliert wird.

5.2 Handhabung und Lagerung

Das Bauteil sollte in seiner original Feuchtigkeitssperrbeutel unter den spezifizierten Lagerbedingungen (-40°C bis +85°C) gelagert werden. Während der Handhabung und Montage sind Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) zu beachten.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsspezifikationen

• Standardverpackung: 1000 Stück pro Beutel/Gebinde.
• Kartonverpackung: 10 Boxen pro Karton.
• Bandverpackung (Reel): Verfügbar mit 1000 Stück pro Rolle für automatisierte Bestückung.

6.2 Etikettenformat und Rückverfolgbarkeit

Das Verpackungsetikett enthält Felder für Rückverfolgbarkeit und Identifikation:

• CPN (Kundenteilenummer)
• P/N (Teilenummer: ALS-PD70-01C/TR7)
• QTY (Packmenge)
• CAT (Kategorie - möglicherweise für Leistungs-Sortierung)
• HUE (Peak-Wellenlänge)
• REF (Referenz)
• LOT No (Losnummer für Rückverfolgbarkeit)

7. Anwendungsspezifische Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltung

Der Sensor arbeitet im Fotoleitfähigkeitsmodus. Eine typische Anwendungsschaltung beinhaltet den Anschluss der Photodiode in Sperrrichtung (Kathode an V_CC, Anode an einen Transimpedanzverstärker oder einen Pull-Down-Widerstand). Der erzeugte Strom ist proportional zur Lichtintensität. Dieser Strom kann mit einem Widerstand oder einem anspruchsvolleren operationsverstärkerbasierten Transimpedanzverstärker (TIA) in eine Spannung umgewandelt werden, um eine bessere Empfindlichkeit und Bandbreite zu erreichen.

7.2 Designhinweise

• Vorspannung: Sicherstellen, dass die Sperrspannung (V_R) im Bereich von 2,5V bis 5,5V liegt. Eine stabile Versorgungsspannung wird für konsistente Messwerte empfohlen.
• Signalaufbereitung: Die Ausgabe ist ein kleiner Strom (Mikroampere). Ein sorgfältiges PCB-Layout ist erforderlich, um Störeinstrahlung zu minimieren. Eine Abschirmung des Sensors vor direkten IR-Quellen (wie Sonnenlicht oder Glühlampen) kann die Genauigkeit aufgrund seiner IR-Unterdrückung verbessern, aber eine gewisse spektrale Abhängigkeit bleibt bestehen (wie bei I_L2vs. I_L3zu sehen).
• Kalibrierung: Aufgrund typischer Toleranzen und der nichtlinearen Helligkeitswahrnehmung des Menschen ist eine Endprodukt-Kalibrierung gegen eine bekannte Lichtquelle für präzise Lux-Messungen oft notwendig.
• Optisches Design: Das "wasserklare" Flachdach-Gehäuse erfordert im Endprodukt möglicherweise einen Lichtleiter oder Diffusor, um sicherzustellen, dass der Sensor eine repräsentative Probe des Umgebungslichts erhält und nicht von Punktlichtquellen oder Schatten beeinflusst wird.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der ALS-PD70-01C/TR7 unterscheidet sich durch die Kombination folgender Schlüsselmerkmale:

• Augenähnliche Empfindlichkeit: Im Gegensatz zu einfachen Photodioden minimiert seine gefilterte Empfindlichkeit die IR-Empfindlichkeit, wodurch sein Ausgangssignal für Helligkeitswahrnehmungsaufgaben ohne komplexe Softwarekorrektur direkter nutzbar ist.
• Breiter Spannungsbereich: Der Bereich von 2,5V bis 5,5V ermöglicht den direkten Einsatz mit sowohl 3,3V- als auch 5V-Logiksystemen, die in Mikrocontrollern üblich sind, und macht Pegelwandler oder Regler überflüssig.
• Robuste Temperaturleistung: Der spezifizierte Betriebsbereich von -40°C bis +85°C macht ihn für Automobil-, Industrie- und Outdoor-Anwendungen geeignet, über typische Unterhaltungselektronik hinaus.
• Konformität: Volle Konformität mit modernen Umweltvorschriften (RoHS, REACH, halogenfrei) ist heute eine zwingende Voraussetzung für die meisten globalen Märkte.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Wie genau ist die Lux-Messung mit diesem Sensor?

Der Sensor liefert einen zur Lichtintensität proportionalen Fotostrom. Für genaue Lux-Messungen ist eine Kalibrierung gegen ein Referenz-Lichtmessgerät unter der spezifischen in der Anwendung verwendeten Lichtquelle (z.B. Tageslicht, Leuchtstoff, LED) unerlässlich. Das Datenblatt gibt typische Reaktionen unter verschiedenen Quellen an (siehe I_L2und I_L3), was die inhärente spektrale Abhängigkeit jedes Lichtsensors hervorhebt.

9.2 Kann er im Freien bei direktem Sonnenlicht eingesetzt werden?

Obwohl der Betriebstemperaturbereich dies zulässt, hat direktes Sonnenlicht einen sehr hohen IR-Anteil. Die IR-Unterdrückung des Sensors hilft, aber der Beleuchtungsstärkepegel in direkter Sonne (oft >50.000 Lux) kann den Sensor oder die nachfolgende Verstärkerstufe sättigen. Ein optischer Abschwächer (Neutraldichtefilter) oder eine sorgfältige Bereichsauswahl in der Signalaufbereitungsschaltung wäre notwendig.

9.3 Welchen Zweck haben die Angaben "CAT" und "HUE" auf dem Etikett?

Diese deuten wahrscheinlich auf eine Leistungssortierung (Binning) hin. "CAT" (Kategorie/Rang) könnte Bauteile basierend auf der Fotostromempfindlichkeit sortieren (z.B. höherer/niedrigerer Ausgang unter Standardtestbedingungen). "HUE" (Peak-Wellenlänge) sortiert Bauteile basierend auf der exakten Wellenlänge der maximalen spektralen Empfindlichkeit (um die typischen 630 nm). Dies ermöglicht es Herstellern, Sensoren mit engerer Leistungsübereinstimmung für die Großserienproduktion auszuwählen.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Automatische Hintergrundbeleuchtungs-Dimmung für ein mobiles Gerät

Der ALS-PD70-01C/TR7 wird hinter einer kleinen Öffnung oder einem Lichtleiter am Geräterahmen platziert. Er ist über einen einfachen Widerstand mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC)-Eingang eines Mikrocontrollers verbunden. Die Firmware des Mikrocontrollers liest periodisch die Spannung, die dem Umgebungslichtpegel entspricht. Basierend auf einer vorprogrammierten Nachschlagetabelle oder einem Algorithmus (oft eine logarithmische menschliche Wahrnehmungskurve nachbildend) passt der Mikrocontroller das PWM-Tastverhältnis (Pulsweitenmodulation) an, das die LED-Hintergrundbeleuchtung des Displays steuert. In einem dunklen Raum dimmt die Hintergrundbeleuchtung, um Energie zu sparen und die Augenbelastung zu reduzieren. Bei hellem Sonnenlicht wird sie für bessere Lesbarkeit auf Maximum erhöht. Die schnelle Reaktion und die augenähnliche spektrale Empfindlichkeit des Sensors gewährleisten sanfte und natürlich wirkende Anpassungen unter verschiedenen Lichtbedingungen (Büroleuchtstoff, Heim-LED, Sonnenlicht im Freien).

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil ist eine Silizium-Photodiode. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke von Silizium auf den Halbleiterübergang treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Unter einer Sperrspannung werden diese Ladungsträger über den Übergang getrieben und erzeugen einen messbaren Fotostrom, der linear zur einfallenden Lichtintensität ist (über einen weiten Bereich). Das Gehäuse enthält einen optischen Filter, der Infrarotwellenlängen abschwächt und so die spektrale Empfindlichkeit an die photopische Empfindlichkeit des menschlichen Auges annähert.

12. Branchentrends

Die Umgebungslichtsensorik ist eine ausgereifte, aber sich weiterentwickelnde Technologie. Aktuelle Trends umfassen:

• Integration: Kombination von Photodiode, Verstärker, ADC und digitaler Logik (I2C/SPI-Schnittstelle) in einem einzigen Chip zur Schaffung digitaler Lichtsensoren. Dies vereinfacht das Design, kann aber mit Leistungseinbußen oder geringerer Flexibilität einhergehen.
• Näherungssensorik: Oft gepaart mit einer IR-LED zur Erstellung eines Näherungssensors, verwendet für Funktionen wie das Ausschalten des Displays während eines Telefonats.
• Flackerdetektion: Fortgeschrittene Sensoren können die Frequenz von Kunstlichtflackern (z.B. von LEDs oder Leuchtstofflampen) erkennen, um Kameras die Anpassung der Verschlusszeit und die Reduzierung von Banding-Effekten zu ermöglichen.
• Ultra-Niedrigenergie: Für Always-On-Anwendungen in IoT-Geräten werden Sensoren mit Ruheströmen im Nanoampere-Bereich nachgefragt.

Der ALS-PD70-01C/TR7 stellt eine leistungsstarke diskrete Lösung dar, die Designflexibilität und optimierte analoge Leistung für Anwendungen bietet, bei denen diese Faktoren gegenüber Integration priorisiert werden.