LTR-C155DD-G Photodiode Datenblatt - 940nm Peak-Wellenlänge - 5V Sperrspannung - Technisches Dokument auf Deutsch

1. Produktübersicht

Die LTR-C155DD-G ist eine diskrete Infrarot-Photodioden-Komponente, die für Erfassungsanwendungen im nahen Infrarotbereich konzipiert ist. Sie gehört zu einer breiten Familie optoelektronischer Bauteile, die für Systeme vorgesehen sind, die eine zuverlässige Erkennung von Infrarotsignalen erfordern. Ihre Hauptfunktion besteht darin, einfallendes Infrarotlicht in einen elektrischen Strom umzuwandeln, was ihren Einsatz als Empfänger- oder Sensorelement ermöglicht.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Diese Komponente bietet Entwicklern mehrere entscheidende Vorteile. Sie zeichnet sich durch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aus, was für die Unterscheidung gültiger Infrarotbefehle von Umgebungslichtrauschen in Umgebungen wie Wohnzimmern oder Büros entscheidend ist. Das Bauteil ist mit automatischen Bestückungsanlagen und Infrarot-Reflow-Lötprozessen kompatibel, was es für hochvolumige, automatisierte Fertigungslinien geeignet macht. Ihre primären Zielmärkte umfassen Unterhaltungselektronik für Fernbedienungssysteme, Sicherheits- und Alarmsysteme für Bewegungs- oder Strahlenerkennung sowie verschiedene Anwendungen mit kurzer Reichweite für Infrarot-Datenübertragung.

1.2 Merkmale

• Konform mit RoHS- und Green-Product-Richtlinien.
• Verfügt über ein Top-View-Gehäuse mit einer wasserklaren Flachlinse für einheitliches Winkelansprechverhalten.
• Geliefert auf 8-mm-Tape auf 7-Zoll-Durchmesser-Spulen für die automatisierte Montage.
• Kompatibel mit automatischen Bestückungsgeräten (Pick-and-Place).
• Hält standardmäßigen Infrarot-Reflow-Lötprozessen stand.
• Verpackt in einem EIA-Standard-Formfaktor.

1.3 Anwendungen

• Infrarot-Empfängermodule für Fernbedienungen (TV, Klimaanlage, Set-Top-Boxen).
• Leiterplattenmontierte Infrarotsensoren für Annäherungserkennung oder Objekterfassung.
• Sicherheits-Alarmsysteme mit Infrarot-Lichtschranken.
• Einfache Infrarot-Drahtlos-Datenübertragungsstrecken.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Die elektrischen und optischen Eigenschaften definieren die Betriebsgrenzen und die Leistung der Photodiode. Das Verständnis dieser Parameter ist für einen korrekten Schaltungsentwurf und einen zuverlässigen Betrieb in der vorgesehenen Anwendung unerlässlich.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte geben die Grenzen an, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Sie sind nicht für den Dauerbetrieb vorgesehen.

• Verlustleistung (Pd):Maximal 150 mW. Dies ist die Gesamtleistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann, hauptsächlich durch den Sperrstrom und jeden Photostrom unter hoher Beleuchtung.
• Sperrspannung (VR):Maximal 30 V. Das Anlegen einer höheren Spannung in Sperrrichtung kann zum Durchbruch und zur Beschädigung des Photodioden-Übergangs führen.
• Betriebstemperaturbereich (TA):-40°C bis +85°C. Die Funktionsfähigkeit des Bauteils ist innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs garantiert.
• Lagertemperaturbereich (Tstg):-55°C bis +100°C. Das Bauteil kann innerhalb dieser Grenzen ohne Betrieb gelagert werden.
• Infrarot-Lötbedingung:Hält einer Spitzentemperatur von 260°C für 10 Sekunden stand, was typischen bleifreien (Pb-free) Reflow-Profilen entspricht.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen (TA=25°C)

Dies sind die typischen und garantierten Leistungsparameter unter spezifizierten Testbedingungen.

• Durchlassspannung (Vf):0,4V bis 1,0V bei If=1mA. Dieser Parameter ist relevant, wenn die Photodiode versehentlich in Durchlassrichtung betrieben wird; dies ist nicht ihr normaler Betriebsmodus.
• Sperrspannungs-Durchbruchsspannung V(BR):Mindestens 30V bei IR=100µA. Dies bestätigt, dass das Bauteil die maximal zulässige Sperrspannung sicher handhaben kann.
• Sperr-Dunkelstrom (ID):Maximal 100 nA bei VR=5V, Ee=0mW/cm². Dies ist der Leckstrom bei Abwesenheit von Licht. Ein niedrigerer Dunkelstrom verbessert die Empfindlichkeit für schwache Signale.
• Leerlaufspannung (VOC):Maximal 0,4V bei λ=940nm, Ee=0,5mW/cm². Dies ist die von der Photodiode im photovoltaischen Modus (ohne externe Vorspannung) unter Beleuchtung erzeugte Spannung.
• Anstiegszeit (Tr) & Abfallzeit (Tf):Typischerweise 0,30µs bzw. 0,28µs bei VR=10V, RL=1kΩ. Diese Parameter definieren die Schaltgeschwindigkeit und machen das Bauteil für die Dekodierung modulierter Infrarotsignale geeignet (z.B. von Fernbedienungen mit 38-40 kHz).
• Sperr-Lichtstrom (Ip):Typischerweise 16 µA (mind. 10 µA) bei VR=5V, λ=940nm, Ee=1mW/cm². Dies ist der Photostrom, der erzeugt wird, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, was der Standardbetriebsmodus für lineares Ansprechverhalten und Geschwindigkeit ist.
• Kurzschlussstrom (Is):Typischerweise 16 µA unter denselben Bedingungen wie Ip. Im photovoltaischen Modus ist dies der maximale Strom, den das Bauteil liefern kann.
• Gesamtkapazität (CT):Typischerweise 14 pF bei VR=3V, f=1MHz. Diese Sperrschichtkapazität beeinflusst das Hochfrequenzverhalten; eine niedrigere Kapazität ermöglicht eine höhere Bandbreite.
• Spitzen-Erfassungswellenlänge (λp):Typischerweise 910 nm. Die Photodiode ist für Infrarotlicht dieser Wellenlänge am empfindlichsten, was sie ideal für die Kombination mit 940nm-Infrarot-Emissionsdioden (IREDs) macht.

3. Analyse der Leistungskurven

Die bereitgestellten Diagramme bieten visuelle Einblicke in das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen.

3.1 Photostrom vs. Bestrahlungsstärke

Die Kurve zeigt die Beziehung zwischen einfallender Lichtleistung (Bestrahlungsstärke Ee) und dem erzeugten Photostrom (Ip). Für eine Photodiode, die im linearen Bereich (in Sperrrichtung vorgespannt) arbeitet, ist diese Beziehung typischerweise linear. Das Diagramm bestätigt, dass bei 1 mW/cm² 940nm-Licht der Photostrom etwa 16 µA beträgt, wie in der Tabelle angegeben. Diese Linearität ist für analoge Erfassungsanwendungen entscheidend.

3.2 Spektrale Empfindlichkeit

Dieses Diagramm stellt die relative Strahlungsempfindlichkeit über der Wellenlänge dar. Es zeigt einen Peak bei etwa 910nm und eine signifikante Ansprechrate im Bereich von etwa 800nm bis 1050nm. Die Empfindlichkeit für sichtbares Licht (unter 700nm) fällt stark ab, was vorteilhaft ist, um Umgebungslichtrauschen von Quellen wie Glühlampen oder Sonnenlicht zu unterdrücken. Der Einbau eines Filters, wie in der Beschreibung erwähnt, würde diese Abschneidegrenze weiter verschärfen.

3.3 Gesamtverlustleistung vs. Umgebungstemperatur

Diese Derating-Kurve veranschaulicht, wie die maximal zulässige Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt. Bei 25°C sind die vollen 150 mW zulässig. Wenn die Temperatur auf die maximale Betriebsgrenze von 85°C ansteigt, nimmt die zulässige Verlustleistung linear ab. Dies ist für das thermische Management im Anwendungsdesign entscheidend, um Überhitzung zu verhindern.

3.4 Diagramm der Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit

Das Polardiagramm zeigt die relative Empfindlichkeit bei verschiedenen Einfallswinkeln des Lichts. Eine Photodiode mit einer Flachlinse, wie diese, hat typischerweise einen relativ weiten Blickwinkel (oft etwa ±60 Grad, bei dem die Empfindlichkeit auf 50% fällt). Dieser weite Winkel ist vorteilhaft für Empfänger, die Signale aus einem großen Bereich erfassen müssen, ohne präzise Ausrichtung.

4. Mechanische und Verpackungsinformationen

4.1 Abmessungen

Das Bauteil entspricht einem standardisierten Industriegehäuse. Zu den Hauptabmessungen gehören Gehäusegröße, Anschlussabstand und Gesamthöhe. Das Gehäuse ist für die Oberflächenmontagetechnik (SMT) ausgelegt. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,1mm angegeben, sofern nicht anders spezifiziert.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Lötpad-Design

Die Kathode ist typischerweise auf dem Gehäuse markiert. Das Datenblatt enthält empfohlene Lötpad-Abmessungen für das Leiterplatten-Layout. Ein empfohlenes Pad-Design gewährleistet eine zuverlässige Lötstelle und mechanische Stabilität während und nach dem Reflow-Prozess. Es wird empfohlen, für den Lotpastenauftrag eine Metallschablone mit einer Dicke von 0,1mm bis 0,12mm zu verwenden.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Reflow-Lötprofil

Die Komponente ist für bleifreie (Pb-free) Reflow-Lötprozesse qualifiziert. Ein empfohlenes Temperaturprofil gemäß JEDEC-Standards wird bereitgestellt. Zu den Schlüsselparametern gehören eine Vorwärmzone (150-200°C), eine Spitzentemperatur von maximal 260°C und eine Zeit oberhalb der Liquidus-Temperatur (TAL), die eine ordnungsgemäße Lötstellenbildung gewährleistet, ohne das Bauteil übermäßiger thermischer Belastung auszusetzen. Das Bauteil kann dieses Profil maximal 10 Sekunden bei Spitzentemperatur und bis zu zweimal aushalten.

5.2 Handlötung

Falls Handlötung erforderlich ist, sollte sie mit einer Lötspitzentemperatur von maximal 300°C durchgeführt werden, und die Kontaktzeit sollte auf maximal 3 Sekunden pro Lötstelle begrenzt werden. Dies minimiert das Risiko thermischer Schäden am Halbleiterchip oder am Kunststoffgehäuse.

5.3 Lagerbedingungen

Um Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die während des Reflow-Prozesses zu \"Popcorning\" führen kann, sind spezifische Lagerbedingungen vorgeschrieben. In der original versiegelten Feuchtigkeitsschutzbeutel mit Trockenmittel sollte das Bauteil bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert und innerhalb eines Jahres verwendet werden. Nach dem Öffnen der Beutel sollten die Bauteile bei ≤30°C und ≤60% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert und idealerweise innerhalb einer Woche verarbeitet werden. Für eine längere Lagerung außerhalb der Originalverpackung ist vor dem Löten ein Trocknungsprozess (Baking) bei etwa 60°C für mindestens 20 Stunden erforderlich.

5.4 Reinigung

Falls eine Nachlötreinigung erforderlich ist, sollten nur alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropylalkohol verwendet werden. Scharfe oder aggressive chemische Reinigungsmittel sollten vermieden werden, da sie das Gehäusematerial oder die Linse beschädigen können.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Tape-and-Reel-Spezifikationen

Die Komponente wird auf geprägter Trägerfolie mit einer Schutzdeckfolie geliefert. Die Folienbreite beträgt 8mm, aufgewickelt auf einer Standard-7-Zoll-(178mm)-Durchmesser-Spule. Jede Spule enthält 3000 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA 481-1-A-1994-Spezifikationen und gewährleistet die Kompatibilität mit automatischen Zuführern.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Schaltungskonfiguration

Der häufigste Betriebsmodus für eine Photodiode wie die LTR-C155DD-G ist der fotoleitende Modus. Hierbei wird die Diode mit einer Spannung in Sperrrichtung vorgespannt (z.B. 5V, wie in der Testbedingung). Der erzeugte Photostrom ist proportional zur Lichtintensität. Dieser Strom kann mit einem Lastwiderstand (RL) in eine Spannung umgewandelt werden. Der Wert von RL beeinflusst sowohl den Ausgangsspannungshub als auch die Bandbreite (Geschwindigkeit) der Schaltung aufgrund der mit der Sperrschichtkapazität (CT) der Photodiode gebildeten RC-Zeitkonstante. Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie die 38-kHz-IR-Fernbedienungsdekodierung wird ein kleinerer RL (z.B. 1kΩ bis 10kΩ) verwendet. Für höhere Empfindlichkeit bei schwachem Licht wird ein größerer RL oder eine Transimpedanzverstärker-(TIA)-Schaltung empfohlen.

7.2 Optische Designüberlegungen

Um die Leistung zu optimieren, sollte die Infrarotquelle (IRED) eine Emissionswellenlänge haben, die mit der Spitzenempfindlichkeit der Photodiode (ca. 940nm) übereinstimmt. Ein optischer Filter kann vor der Photodiode angebracht werden, um sichtbares Licht zu blockieren und das Signal-Rausch-Verhältnis in Umgebungen mit starkem Umgebungslicht erheblich zu verbessern. Der weite Blickwinkel der Photodiode vereinfacht die optische Ausrichtung, kann sie aber auch anfälliger für Streulicht machen; eine mechanische Abschirmung kann helfen, das Sichtfeld zu definieren.

7.3 Layout-Überlegungen

Befolgen Sie das empfohlene Lötpad-Layout, um eine gute Lötbarkeit und mechanische Festigkeit zu gewährleisten. In empfindlichen analogen Schaltungen sollten die Leiterbahnen von der Anode und Kathode der Photodiode so kurz wie möglich gehalten werden, um Störeinstrahlung und parasitäre Kapazitäten zu minimieren. In elektrisch verrauschten Umgebungen können eine ordnungsgemäße Masseführung und Abschirmung erforderlich sein.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu einem Fototransistor bietet eine Photodiode wie die LTR-C155DD-G eine schnellere Ansprechzeit (Sub-Mikrosekunden vs. Mikrosekunden), was sie für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung oder modulierte Signalempfang überlegen macht. Sie liefert auch eine linearere Ausgabe in Bezug auf die Lichtintensität. Im Vergleich zu anderen Photodioden umfassen ihre Hauptmerkmale ein standardisiertes Gehäuse für die automatisierte Montage, Kompatibilität mit bleifreiem Reflow und eine spezifizierte Hochgeschwindigkeitsleistung, die für Consumer-IR-Protokolle geeignet ist.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was ist der Unterschied zwischen Sperr-Lichtstrom (Ip) und Kurzschlussstrom (Is)?

Der Sperr-Lichtstrom (Ip) wird gemessen, wenn die Photodiode unter einer Sperrspannung (z.B. 5V) betrieben wird. Dies ist der Standardbetriebszustand für lineares Ansprechverhalten und Geschwindigkeit. Der Kurzschlussstrom (Is) wird bei 0 Volt über der Diode (photovoltaischer Modus) gemessen. Der typische Wert ist ähnlich, aber der photovoltaische Modus hat eine langsamere Ansprechzeit und eine spannungsabhängige Stromausgabe.

9.2 Wie wähle ich den Wert des Lastwiderstands (RL)?

Die Wahl beinhaltet einen Kompromiss zwischen Bandbreite und Signalamplitude. Für ein 38kHz-IR-Signal beträgt die Periode etwa 26µs. Die Anstiegs-/Abfallzeit der Photodiode (0,3µs) ist viel schneller als dies, daher ist sie nicht der limitierende Faktor. Die RC-Zeitkonstante (RL * CT) sollte deutlich kleiner sein als die Pulsbreite, die Sie erfassen müssen. Für einen 1kΩ-Widerstand und eine 14pF-Kapazität beträgt die Zeitkonstante 14ns, was für hohe Geschwindigkeit hervorragend ist. Ein größerer RL ergibt eine größere Ausgangsspannung für das gleiche Lichtniveau, reduziert aber die Bandbreite und kann das Rauschen erhöhen.

9.3 Warum ist ein Trocknungsprozess (Baking) erforderlich, wenn die Teile außerhalb der Beutel gelagert werden?

Kunststoff-SMT-Gehäuse können Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese eingeschlossene Feuchtigkeit schnell verdampfen und einen Innendruck erzeugen, der zur Delamination des Gehäuses oder zum Riss des Chips führen kann – ein Phänomen, das als \"Popcorning\" bekannt ist. Der Trocknungsprozess treibt diese aufgenommene Feuchtigkeit aus und verhindert diesen Fehlermodus.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Eine Photodiode ist ein Halbleiter-PN-Übergang. Wenn Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf die Verarmungszone des Übergangs treffen, können sie Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband anregen und Elektron-Loch-Paare erzeugen. Unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes (im Übergang inhärent oder durch eine externe Sperrspannung verstärkt) werden diese Ladungsträger auseinandergetrieben und erzeugen einen messbaren Strom in einem externen Stromkreis. Dieser Photostrom ist direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts, vorausgesetzt, das Bauteil arbeitet in seinem linearen Bereich. Die Spitzenwellenlänge der Empfindlichkeit wird durch die Bandlückenenergie des verwendeten Halbleitermaterials bestimmt.

11. Entwicklungstrends

Der Trend bei diskreten Infrarotsensoren wie Photodioden geht zu einer weiteren Verkleinerung der Gehäuse bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Verbesserung von Leistungsparametern wie niedrigerem Dunkelstrom, höherer Geschwindigkeit und verbesserter Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungslichtstörungen. Integration ist ein weiterer Schlüsseltrend, bei dem Bauteile die Photodiode mit einem speziellen Verstärker, Filter und digitaler Logik in einem einzigen Gehäuse kombinieren, um komplette \"IR-Empfängermodule\" zu schaffen, die das Endproduktdesign vereinfachen. Es gibt auch einen kontinuierlichen Drang zu höherer Zuverlässigkeit und Kompatibilität mit zunehmend strengeren Umwelt- und Fertigungsstandards, wie sie für Automobil- oder Industrieanwendungen gelten.