LTR-S320-DB-L Phototransistor Datenblatt - EIA-Gehäuse - 940nm Spitzenempfindlichkeit - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-S320-DB-L ist ein leistungsstarker Silizium-NPN-Phototransistor, der für Infrarot-Erkennungsanwendungen konzipiert ist. Diese Komponente ist für die Detektion von Licht im nahen Infrarotspektrum optimiert, mit einer Spitzenempfindlichkeit bei 940nm. Dies macht ihn geeignet für eine Vielzahl von Fernbedienungssystemen, Objekterkennung und industriellen Automatisierungsaufgaben. Seine Hauptfunktion ist die Umwandlung von einfallendem Infrarotlicht in einen entsprechenden elektrischen Strom.

Das Bauteil ist in einem standardkonformen EIA-Gehäuse mit einer schwarzen Tageslicht-Sperr-Kunststofflinse untergebracht. Diese Linse filtert sichtbares Umgebungslicht effektiv heraus, reduziert Rauschen und Fehlauslösungen signifikant und verbessert so das Signal-Rausch-Verhältnis bei Hintergrundbeleuchtung. Das Gehäuse ist für die Kompatibilität mit hochvolumigen, automatisierten Bestückungsprozessen ausgelegt, einschließlich Tape-and-Reel-Zuführung und Infrarot-Reflow-Lötung, und entspricht damit modernen Fertigungsanforderungen.

Als RoHS-konformes und bleifreies (Pb-freies) "Green Product" erfüllt es zeitgemäße Umweltstandards. Die Kombination aus spektralem Ansprechverhalten, Gehäusedesign und Fertigungskompatibilität macht ihn zu einer zuverlässigen und vielseitigen Lösung für kosten- und leistungssensible Infrarot-Erkennungsschaltungen.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Interpretation

Alle elektrischen und optischen Kenngrößen sind bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C spezifiziert und bieten eine standardisierte Basis für die Leistungsbewertung.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen ist nicht garantiert und sollte im Schaltungsentwurf vermieden werden.

• Verlustleistung (P_D):150 mW. Dies ist die maximal zulässige Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Limits birgt das Risiko von thermischem Durchgehen und Ausfall.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen Kollektor- und Emitter-Anschlüssen angelegt werden kann, wenn die Basis offen ist (Phototransistor im Dunkeln).
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, für den das Bauteil korrekt funktionieren soll.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die nicht-operative Lagerung ohne Degradation.
• Infrarot-Lötbedingung:260°C Spitzentemperatur für maximal 10 Sekunden. Dies definiert das thermische Profillimit für bleifreie Reflow-Lötprozesse.

2.2 Elektrische & Optische Kenngrößen

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter spezifischen Testbedingungen.

• Sperrspannung (V_(BR)R):Minimum 33V, typisch 170V bei I_R=100µA. Dieser hohe Wert deutet auf einen robusten Übergang hin, der signifikante Sperrspannungen aushalten kann, was für Schaltungen mit induktiven Lasten oder Spannungsspitzen vorteilhaft ist.
• Sperrstrom im Dunkeln (I_D):Maximum 10 nA bei V_R=10V. Dies ist der Leckstrom, wenn kein Licht einfällt. Ein niedriger Dunkelstrom ist entscheidend für hohe Empfindlichkeit und rauscharmen Betrieb, insbesondere bei Schwachlichtdetektion.
• Leerlaufspannung (V_OC):Typisch 390 mV bei Beleuchtung mit 940nm Licht und einer Bestrahlungsstärke (E_e) von 0,5 mW/cm². Dieser Parameter ist relevant, wenn das Bauteil im Photovoltaik-Modus (ohne externe Vorspannung) verwendet wird.
• Kurzschlussstrom (I_SC):Typisch 1,8 µA unter denselben Testbedingungen wie V_OC(V_R=5V, λ=940nm, E_e=0,5 mW/cm²). Dies repräsentiert den Fotostrom, der erzeugt wird, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist.
• Anstiegszeit (T_r) & Abfallzeit (T_f):Maximum jeweils 30 ns (V_R=10V, R_L=1kΩ). Diese Schaltgeschwindigkeitsangaben sind entscheidend für Anwendungen, die schnelle Impulserkennung oder Hochfrequenzmodulation erfordern, wie z.B. in Datenkommunikationsverbindungen.
• Gesamtkapazität (C_T):Maximum 1 pF bei V_R=5V, f=1MHz. Eine niedrige Sperrschichtkapazität ist für schnelle Ansprechzeiten wesentlich, da sie die RC-Zeitkonstante der Schaltung begrenzt.
• Spektralbandbreite (λ_0.5):750 nm bis 1100 nm. Dies definiert den Wellenlängenbereich, in dem die Empfindlichkeit des Bauteils mindestens die Hälfte ihres Spitzenwertes beträgt. Er deckt den üblichen Infrarotbereich ab, der von vielen IR-Emittern (wie 850nm und 940nm LEDs) genutzt wird.
• Wellenlänge der Spitzenempfindlichkeit (λ_P):940 nm. Das Bauteil ist spektral auf 940nm emittierende Infrarot-LEDs abgestimmt, was maximale Effizienz und Signalstärke in solchen Paarungen gewährleistet.

3. Kennlinienanalyse

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien, die visuelle Einblicke in das Bauteilverhalten unter variierenden Bedingungen geben. Obwohl die spezifischen Graphen im Text nicht reproduziert sind, werden ihre typischen Implikationen unten analysiert.

3.1 IV (Strom-Spannungs-) Kennlinien

Eine Kurvenschar, die den Kollektorstrom (I_C) über die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE) für verschiedene Stufen der einfallenden Bestrahlungsstärke (E_e) aufträgt. Diese Kurven zeigen typischerweise, dass für eine feste Bestrahlungsstärke I_Cmit V_CEansteigt, bis ein Sättigungsbereich erreicht wird. Höhere Bestrahlungsstärken verschieben die Kurven nach oben, was einen größeren Fotostrom anzeigt. Die Steigung im aktiven Bereich steht in Beziehung zur Ausgangsleitfähigkeit des Bauteils.

3.2 Relative Empfindlichkeit vs. Wellenlänge

Diese Kurve stellt die spektrale Empfindlichkeit grafisch dar, mit einem Maximum bei 940nm und einem Abfall zu 750nm und 1100nm hin (den λ_0.5-Punkten). Sie ist wesentlich für die Auswahl eines passenden IR-Emitters zur Paarung mit dem Detektor und für die Bewertung des Einflusses von Umgebungslichtquellen mit unterschiedlichen Spektren.

3.3 Temperaturabhängigkeit

Die Kurven zeigen wahrscheinlich die Variation von Schlüsselparametern wie Dunkelstrom (I_D) und Fotostrom mit der Umgebungstemperatur. Der Dunkelstrom steigt typischerweise exponentiell mit der Temperatur (verdoppelt sich etwa alle 10°C), was eine bedeutende Rauschquelle in Hochtemperaturanwendungen sein kann. Der Fotostrom kann auch einen leichten negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil entspricht einer standardisierten EIA-Gehäuseform. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,10 mm angegeben, sofern nicht anders spezifiziert. Das Gehäuse verfügt über eine schwarze, tageslichtsperrende Kunststofflinse, die über den Siliziumchip geformt ist.

4.2 Polaritätskennzeichnung & Pinbelegung

Der Phototransistor ist ein 2-poliges Bauteil. Die Pinbelegung ist für solche Gehäuse standardisiert: Der Kollektor ist typischerweise mit dem Gehäuse oder dem längeren Anschluss (falls zutreffend) verbunden, während der Emitter der andere Pin ist. Das Diagramm im Datenblatt liefert die definitive Identifikation. Die korrekte Polarität ist für den ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb wesentlich.

4.3 Vorgeschlagenes Lötpad-Layout

Ein empfohlenes Land Pattern (Footprint) für das Leiterplattendesign wird bereitgestellt, um zuverlässige Lötstellenbildung während des Reflow-Prozesses zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser Abmessungen hilft, Tombstoning, Fehlausrichtung oder unzureichende Lötfilets zu verhindern.

5. Löt- & Bestückungsrichtlinien

5.1 Reflow-Lötprofil

Eine detaillierte Empfehlung für ein Infrarot-Reflow-Profil, das für bleifreie (Pb-freie) Lötprozesse geeignet ist, wird bereitgestellt. Schlüsselparameter umfassen:

• Vorwärmen:150°C bis 200°C.
• Vorwärmzeit:Maximum 120 Sekunden.
• Spitzentemperatur:Maximum 260°C.
• Zeit oberhalb Liquidus (bei Spitze):Maximum 10 Sekunden.
• Maximale Anzahl Reflow-Zyklen: Two.

Das Profil basiert auf JEDEC-Standards, um die Gehäuseintegrität zu gewährleisten. Ingenieure müssen das Profil für ihr spezifisches Leiterplattendesign, die Komponenten und die Lötpaste charakterisieren.

5.2 Handlötung

Falls Handlötung notwendig ist, sollte die Lötspitzentemperatur 300°C nicht überschreiten und die Lötzeit pro Anschluss auf maximal 3 Sekunden begrenzt werden. Es wird nur ein Handlötzyklus empfohlen, um thermische Belastung zu vermeiden.

5.3 Reinigung

Es sollten nur spezifizierte Reinigungsmittel verwendet werden. Isopropylalkohol (IPA) oder Ethylalkohol werden empfohlen. Das Bauteil sollte bei Raumtemperatur für weniger als eine Minute eingetaucht werden. Nicht spezifizierte chemische Flüssigkeiten können das Gehäusematerial beschädigen.

5.4 Lagerbedingungen

Versiegelte Verpackung (Feuchtigkeitssperrbeutel):Lagern bei ≤30°C und ≤90% rF. Die Bauteile sind für die Verwendung innerhalb eines Jahres ab dem Versiegelungsdatum des Beutels ausgelegt.

Geöffnete Verpackung:Lagern bei ≤30°C und ≤60% rF. Bauteile sollten innerhalb einer Woche (168 Stunden) reflow-gelötet werden. Für längere Lagerung außerhalb des Originalbeutels müssen sie in einem versiegelten Behälter mit Trockenmittel oder in einem Stickstoff-Exsikkator gelagert werden. Bauteile, die länger als eine Woche gelagert wurden, sollten vor dem Löten bei etwa 60°C für mindestens 20 Stunden getrocknet (gebaked) werden, um aufgenommene Feuchtigkeit zu entfernen und "Popcorning" während des Reflow zu verhindern.

6. Verpackungs- & Bestellinformationen

6.1 Tape-and-Reel Spezifikationen

Das Bauteil wird in 8mm Trägerband auf 7-Zoll (178mm) Durchmesser Spulen geliefert, kompatibel mit Standard-Automatikbestückungsgeräten.

• Stück pro Spule: 3000.
• Deckband:Leere Bauteiltaschen werden mit einem Deckband versiegelt.
• Fehlende Bauteile:Gemäß Spulenspezifikation sind maximal zwei aufeinanderfolgende fehlende Bauteile ("missing lamps") erlaubt.
• Standard:Die Verpackung folgt den ANSI/EIA 481-1-A-1994 Spezifikationen.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Infrarot-Fernbedienungsempfänger:Für Fernseher, Audiosysteme und Set-Top-Boxen (gepaart mit einer 940nm IR-LED).
• Objekt-/Näherungserkennung:In Druckern, Kopierern, Verkaufsautomaten und industrieller Automatisierung zur Erfassung von Papier, Objekten oder Position.
• Rauchmelder:In optisch basierten Kammerdesigns.
• Encoder:Für Geschwindigkeits- oder Positionserfassung in der Motorsteuerung.
• Einfache Optokopplung:In langsamen, kostenbewussten Isolationsschaltungen.

7.2 Schaltungsentwurfsüberlegungen

Ansteuerungsmethode:Der Phototransistor ist ein stromausgebendes Bauteil. Für konsistente Leistung, insbesondere wenn mehrere Bauteile parallel verwendet werden, wird dringend empfohlen, einen strombegrenzenden Widerstand in Reihe mit jedem Phototransistor zu verwenden (Schaltungsmodell A im Datenblatt).

Schaltungsmodell A (Empfohlen):Jeder Phototransistor hat seinen eigenen Vorwiderstand, der mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Dies stellt sicher, dass jedes Bauteil an einem definierten Arbeitspunkt arbeitet, kompensiert geringfügige Variationen in den Strom-Spannungs-(I-V-)Kennlinien und verhindert, dass ein Bauteil den gesamten Strom "aufnimmt" (Current Hogging).

Schaltungsmodell B (Für Parallelbetrieb nicht empfohlen):Mehrere Phototransistoren sind direkt parallel an einen einzigen gemeinsamen Widerstand angeschlossen. Aufgrund natürlicher Schwankungen in der I-V-Kurve einzelner Komponenten kann ein Bauteil mehr Strom ziehen als andere, was zu ungleichmäßiger Helligkeit oder Empfindlichkeit in Detektionsanwendungen führt.

Vorspannung:Das Bauteil wird typischerweise in einer Emitterschaltung mit einem Pull-up-Widerstand am Kollektor verwendet. Der Wert dieses Lastwiderstands (R_L) beeinflusst sowohl den Ausgangsspannungshub als auch die Ansprechgeschwindigkeit (über die RC-Zeitkonstante, gebildet mit der Bauteilkapazität). Ein kleinerer R_Lergibt eine schnellere Ansprechzeit, aber eine kleinere Ausgangsspannungsänderung.

Störfestigkeit:Die schwarze Tageslicht-Sperrlinse bietet eine ausgezeichnete Unterdrückung von sichtbarem Licht. Für hochrauschbehaftete Umgebungen (z.B. mit Leuchtstofflampen oder Sonnenlicht) kann jedoch zusätzliche elektrische Filterung (z.B. ein Kondensator parallel zum Lastwiderstand oder ein Hardware-/Software-Entprellalgorithmus) notwendig sein, um modulierte Störungen zu unterdrücken.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Im Vergleich zu einer einfachen Fotodiode bietet ein Phototransistor eine interne Stromverstärkung (die Transistor-Stromverstärkung β), was zu einem viel höheren Ausgangsstrom bei gleichem Lichteinfall führt. Dies erleichtert die direkte Anbindung an Logikschaltungen oder Mikrocontroller, ohne eine nachfolgende Verstärkerstufe zu benötigen, vereinfacht das Design und reduziert die Bauteilanzahl.

Diese Verstärkung geht jedoch auf Kosten von langsameren Ansprechzeiten (typischerweise zehn bis hundert Nanosekunden für Phototransistoren vs. Nanosekunden für Fotodioden) und potenziell höherer Kapazität. Für sehr hochfrequente Anwendungen (z.B. >1 MHz Modulation) könnte eine Fotodiode mit einem externen Transimpedanzverstärker die bessere Wahl sein.

Die Hauptunterscheidungsmerkmale des LTR-S320-DB-L innerhalb der Phototransistor-Kategorie sind sein standardisiertes EIA-Gehäuse für einfache Fertigung, die spezifische 940nm-Spektralabstimmung, die integrierte Tageslichtfilterlinse und seine Eignung für bleifreie Reflow-Prozesse.

9. Häufig gestellte Fragen (Basierend auf technischen Parametern)

9.1 Welchen Zweck hat die "Tageslicht-Sperr" Linse?

Die schwarze Kunststofflinse ist so dotiert, dass sie für sichtbares Licht undurchlässig, aber für Infrarotwellenlängen um 940nm transparent ist. Dies reduziert den durch Umgebungsraumlicht, Sonnenlicht oder andere sichtbare Quellen erzeugten Fotostrom drastisch, minimiert Fehlauslösungen und verbessert die Zuverlässigkeit der IR-Signalerfassung.

9.2 Kann ich diesen mit einer 850nm IR-LED verwenden?

Ja, aber mit reduzierter Effizienz. Die spektrale Empfindlichkeitskurve des Bauteils zeigt eine signifikante Empfindlichkeit bei 850nm (innerhalb der 750-1100nm Bandbreite), aber nicht am Maximum (940nm). Das Ausgangssignal wird schwächer sein im Vergleich zur Verwendung einer passenden 940nm-Quelle. Für optimale Leistung und maximale Reichweite wird die Paarung mit einer 940nm-Quelle empfohlen.

9.3 Wie berechne ich den passenden Vorwiderstandswert?

Der Widerstandswert hängt vom gewünschten Betriebsstrom und der Versorgungsspannung (V_CC) ab. Unter einer spezifischen Bestrahlungsstärke verhält sich der Phototransistor wie eine Stromquelle. Mit dem Ohmschen Gesetz: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)ist die Sättigungsspannung (typischerweise einige hundert mV bei moderaten Strömen). I_Cist der gewünschte Kollektorstrom, der aus dem I_SC-Parameter und dem erwarteten Lichtpegel abgeschätzt werden kann. Beginnen Sie mit dem typischen I_SC-Wert (1,8 µA bei 0,5 mW/cm²) und skalieren Sie ihn basierend auf der Bestrahlungsstärke Ihrer Anwendung. Wählen Sie R, um den Arbeitspunkt in der gewünschten Region der IV-Kurve einzustellen.

9.4 Warum ist ein Trocknen (Baking) erforderlich, wenn die Bauteile außerhalb der Verpackung gelagert wurden?

Kunststoffgehäuse können Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnehmen. Während des Hochtemperatur-Reflow-Lötprozesses kann diese eingeschlossene Feuchtigkeit schnell verdampfen und einen hohen Innendruck erzeugen. Dies kann zu einer Delamination des Gehäuses vom Chip ("Popcorning") oder zu internen Rissen führen, was zu sofortigen oder latenten Ausfällen führt. Das Trocknen treibt diese aufgenommene Feuchtigkeit aus und macht die Bauteile für den Reflow-Prozess sicher.

10. Funktionsprinzip

Ein Phototransistor ist im Wesentlichen ein bipolarer Transistor (BJT), bei dem der Basisstrom durch Licht anstelle einer elektrischen Verbindung erzeugt wird. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Siliziums erzeugen Elektron-Loch-Paare im Basis-Kollektor-Übergangsbereich. Diese Ladungsträger werden durch das interne elektrische Feld abgesaugt und erzeugen einen Fotostrom, der als Basisstrom (I_B) wirkt. Dieser photogenerierte Basisstrom wird dann durch die Stromverstärkung des Transistors (h_FEoder β) verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt (I_C= β * I_B). Der Ausgang wird vom Kollektoranschluss genommen, während der Emitter geerdet ist. Das Fehlen eines physischen Basisanschlusses ist ein übliches Merkmal, obwohl einige Phototransistoren einen Basisanschluss zur Vorspannungssteuerung oder Geschwindigkeitsoptimierung enthalten.

11. Entwicklungstrends

Das Feld der Fotodetektion entwickelt sich ständig weiter. Trends, die für Bauteile wie den LTR-S320-DB-L relevant sind, umfassen:

• Miniaturisierung:Entwicklung von Phototransistoren in kleineren Gehäuseabmessungen (z.B. Chip-Scale-Packages), um kompaktere Elektronik zu ermöglichen.
• Erweiterte Integration:Kombination des Fotodetektors mit Verstärkung, Filterung und digitaler Logik auf einem einzigen Chip, um "intelligente Sensoren" mit digitalem Ausgang (I2C, SPI) zu schaffen, was die Anzahl externer Komponenten reduziert und das Systemdesign vereinfacht.
• Verbesserte Geschwindigkeit:Forschung an Strukturen und Materialien, um die Ladungsträgerlaufzeit und Kapazität zu reduzieren und die Bandbreite von Phototransistoren für Datenkommunikationsanwendungen zu erhöhen.
• Wellenlängenspezifität:Entwicklung von Detektoren mit schmaleren und präziser abgestimmten spektralen Empfindlichkeiten, um die Selektivität in Umgebungen mit mehreren IR-Quellen zu verbessern oder neue Erfassungsmodalitäten zu ermöglichen.
• Fokus auf Zuverlässigkeit und Test:Da Optoelektronik in Automobil-, Medizin- und Industriesicherheitsanwendungen vordringt, wird verstärkt Wert auf strenge Qualifikationsstandards, erweiterte Temperaturbereichsbetrieb und Fehlermodusanalyse gelegt.

Während diskrete Phototransistoren aufgrund ihrer Einfachheit und Kosteneffektivität für viele Anwendungen entscheidend bleiben, deuten diese Trends auf anspruchsvollere und anwendungsspezifischere Lösungen in der Zukunft hin.