LTR-516AD Fototransistor Datenblatt - Dunkelgrünes Gehäuse - 30V Sperrspannung - 150mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-516AD ist ein leistungsstarker Silizium-NPN-Fototransistor zur Detektion von Infrarotstrahlung. Seine Kernfunktion ist die Umwandlung von einfallendem Infrarotlicht in einen elektrischen Strom. Ein wesentliches Merkmal dieses Bauteils ist sein spezielles dunkelgrünes Kunststoffgehäuse, das entwickelt wurde, um den größten Teil des sichtbaren Lichtspektrums herauszufiltern. Dies macht ihn besonders geeignet für Anwendungen, bei denen der Sensor primär auf Infrarotsignale reagieren muss und Störungen durch Umgebungslicht minimiert werden sollen. Das Bauteil vereint hohe Lichtempfindlichkeit, geringe Sperrschichtkapazität und schnelle Schaltzeiten und positioniert sich somit als ideale Wahl für verschiedene Infrarot-Erfassungs- und Kommunikationssysteme.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Das Bauteil ist für den Betrieb innerhalb spezifischer Umgebungs- und elektrischer Grenzwerte ausgelegt, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Schäden zu vermeiden. Die maximale Verlustleistung beträgt 150 mW bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C. Es hält eine Sperrspannung (V_R) von bis zu 30 V stand. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C, während die Lagertemperatur von -55°C bis +100°C betragen kann. Für die Montage können die Anschlussdrähte bei 260°C für maximal 5 Sekunden gelötet werden, wobei der Lötpunkt mindestens 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt sein muss.

2.2 Elektrische und optische Kenngrößen

Alle elektrischen und optischen Parameter sind bei T_A= 25°C spezifiziert. Die Sperrspannungs-Durchbruchspannung (V_(BR)R) beträgt typischerweise 30V bei einem Sperrstrom (I_R) von 100µA. Der Dunkelstrom im Sperrbetrieb (I_D(R)), also der Leckstrom bei fehlendem Lichteinfall, hat einen Maximalwert von 30 nA bei V_R= 10V. Unter einer Bestrahlungsstärke (E_e) von 0,5 mW/cm² einer 940nm-Quelle erzeugt der Fototransistor eine Leerlaufspannung (V_OC) von 350 mV. Sein dynamisches Verhalten ist durch Anstiegs- und Abfallzeiten (T_r, T_f) von jeweils 50 Nanosekunden charakterisiert, gemessen bei V_R=10V, einem 940nm-Puls und einem Lastwiderstand von 1 kΩ. Der Kurzschlussstrom (I_S), ein wichtiges Maß für die Empfindlichkeit, beträgt 2 µA (typisch) unter V_R=5V, λ=940nm und E_e=0,1 mW/cm². Die gesamte Sperrschichtkapazität (C_T) beträgt maximal 25 pF bei V_R=3V und 1 MHz. Die Wellenlänge der maximalen spektralen Empfindlichkeit (λ_SMAX) liegt bei 900 nm.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die für den Schaltungsentwurf entscheidend sind. Abbildung 1 stellt den Dunkelstrom (I_D) in Abhängigkeit von der Sperrspannung (V_R) dar und zeigt das Leckverhalten des Bauteils im Dunkeln. Abbildung 2 veranschaulicht, wie die Sperrschichtkapazität (C_T) mit zunehmender Sperrspannung abnimmt, was für Hochfrequenzanwendungen wichtig ist. Abbildung 3 zeigt die Änderung des Fotostroms mit der Umgebungstemperatur und gibt Aufschluss über mögliche Drift des Sensorausgangs bei Temperaturänderungen. Abbildung 4 stellt ebenfalls den Dunkelstrom über der Temperatur dar. Abbildung 5 zeigt die Kurve der relativen spektralen Empfindlichkeit, die grafisch das Maximum bei 900nm und die Wirksamkeit des dunkelgrünen Gehäuses bei der Dämpfung der Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich bestätigt. Abbildung 6 zeigt den linearen Zusammenhang zwischen Fotostrom (I_p) und Infrarot-Bestrahlungsstärke (E_e). Abbildung 7 ist ein Polardiagramm, das die winkelabhängige Empfindlichkeit zeigt. Abbildung 8 erläutert, wie sich die maximal zulässige Gesamtverlustleistung reduziert, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Der LTR-516AD ist in einem speziellen dunkelgrünen Kunststoffgehäuse untergebracht. Wichtige Maßangaben umfassen: Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Der maximale Harzüberstand unter dem Flansch beträgt 1,5 mm. Der Anschlussdrahtabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Drähte aus dem Gehäusekörper austreten. Das Gehäuse ist für die Durchsteckmontage konzipiert. Die dunkelgrüne Färbung ist integraler Bestandteil seiner Funktion und dient als sichtbares Lichtfilter, um das Signal-Rausch-Verhältnis für die Infrarotdetektion zu verbessern.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Für zuverlässiges Löten ist die Einhaltung der spezifizierten Bedingungen entscheidend. Die Anschlussdrähte sollten bei einer Temperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden gelötet werden. Der Lötpunkt muss mindestens 1,6 mm (0,063 Zoll) vom Kunststoffgehäuse entfernt sein, um thermische Schäden am Halbleiterchip und der Kunststoff-Umhüllung zu verhindern. Standard-Lötverfahren wie Wellenlöten oder Handlöten können verwendet werden, sofern die Temperatur- und Zeitgrenzwerte strikt eingehalten werden. Längere Einwirkung von Temperaturen über dem spezifizierten Grenzwert kann die Leistung beeinträchtigen oder zu dauerhaften Ausfällen führen.

6. Anwendungsempfehlungen

6.1 Typische Anwendungsszenarien

Der LTR-516AD eignet sich gut für eine Vielzahl von Infrarot-basierten Anwendungen. Dazu gehören Objekterkennung und Annäherungssensoren in Automatisierungs- und Sicherheitssystemen, Schlitzsensoren in Druckern und Verkaufsautomaten, berührungslose Schalter sowie Infrarot-Datenkommunikationsverbindungen (wie ältere IRDA-Schnittstellen). Seine schnelle Schaltzeit macht ihn für Systeme geeignet, die eine schnelle Impulserkennung erfordern.

6.2 Design-Überlegungen

Beim Entwurf mit diesem Fototransistor müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Erstens sollte der Arbeitspunkt unter Berücksichtigung der erforderlichen Empfindlichkeit und Geschwindigkeit gewählt werden; eine höhere Sperrspannung verringert im Allgemeinen die Kapazität und verbessert die Geschwindigkeit, erhöht aber den Dunkelstrom. Der Wert des Lastwiderstands (R_L) ist eine kritische Designentscheidung: Ein größerer R_Lliefert eine höhere Ausgangsspannung, verlangsamt jedoch die Ansprechzeit (erhöht die RC-Zeitkonstante). Das dunkelgrüne Gehäuse reduziert Störungen durch Umgebungslicht, dennoch sollte der Entwickler den Infrarot-Hintergrund in der Anwendungsumgebung berücksichtigen. Für einen stabilen Betrieb über den Temperaturbereich sollten die in den Abbildungen 3 und 4 gezeigten Variationen berücksichtigt werden, möglicherweise durch Temperaturkompensation in der Signalaufbereitungsschaltung.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Das primäre Unterscheidungsmerkmal des LTR-516AD ist sein spezielles dunkelgrünes Gehäuse zur Unterdrückung von sichtbarem Licht, das nicht in allen Standard-Fototransistoren zu finden ist. Dies verschafft ihm einen deutlichen Vorteil in Umgebungen mit schwankendem Umgebungslicht. Seine Kombination aus Parametern – ein relativ hoher Kurzschlussstrom (typ. 2 µA), geringe Kapazität (max. 25 pF) und schnelle Schaltzeiten (50 ns) – macht ihn zu einer ausgewogenen Komponente, die sowohl für empfindliche als auch für mäßig hochfrequente Anwendungen geeignet ist. Im Vergleich zu Fotodioden bieten Fototransistoren wie der LTR-516AD eine interne Verstärkung, was zu einem höheren Ausgangsstrom bei gleichem Lichteinfall führt und nachfolgende Verstärkerstufen vereinfacht.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck des dunkelgrünen Gehäuses?

A: Der dunkelgrüne Kunststoff fungiert als eingebauter optischer Filter. Er dämpft Wellenlängen im sichtbaren Spektrum deutlich ab, während Infrarotlicht (insbesondere um 900-940nm) durchgelassen wird. Dies minimiert die Reaktion des Sensors auf Umgebungslicht, Sonnenlicht oder andere sichtbare Quellen und macht ihn zuverlässiger für die Erkennung dedizierter Infrarotsignale.

F: Wie interpretiere ich den Parameter "Kurzschlussstrom (I_S)"?

A: I_Swird gemessen, wenn Kollektor und Emitter kurzgeschlossen sind (V_CE= 0V). Er repräsentiert den photogenerierten Strom pro Einheit der Bestrahlungsstärke unter spezifischen Testbedingungen (940nm, 0,1 mW/cm²). In Ihrer Schaltung wird der tatsächliche Ausgangsstrom geringer sein als I_S, wenn ein Lastwiderstand oder eine Vorspannung angelegt wird, aber I_Sist eine Schlüsselgröße zum Vergleich der grundlegenden Empfindlichkeit verschiedener Bauteile.

F: Warum sind Anstiegs- und Abfallzeiten wichtig?

A: Diese Parameter (T_rund T_f) definieren, wie schnell der Fototransistor auf Änderungen der Lichtintensität reagieren kann. Ein Wert von 50 ns bedeutet, dass das Bauteil theoretisch Signalfrequenzen bis zu mehreren Megahertz verarbeiten kann, was es für gepulste IR-Systeme, Datenübertragung oder Hochgeschwindigkeitszählanwendungen geeignet macht.

F: Wie beeinflusst die Temperatur die Leistung?

A: Wie in den Kurven gezeigt, nehmen sowohl der Dunkelstrom (Rauschen) als auch der Fotostrom (Signal) mit der Temperatur zu. Der Anstieg des Dunkelstroms kann erheblich sein und potenziell das Rauschgrundniveau erhöhen. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Signalaufbereitungsschaltung diese Variation bewältigen kann, insbesondere wenn das Bauteil über den gesamten Bereich von -40°C bis +85°C betrieben wird.

9. Praktisches Designbeispiel

Betrachten wir den Entwurf einer einfachen Infrarot-Objekterkennungsschaltung. Der LTR-516AD wird mit einer Infrarot-LED als Sender gepaart. Der Fototransistor ist in einer Emitterschaltung konfiguriert: Der Kollektor ist über einen Lastwiderstand R_Lmit einer Versorgungsspannung (z.B. 5V) verbunden, und der Emitter ist geerdet. Wenn kein Objekt vorhanden ist, erreicht das IR-Licht der LED den Fototransistor, wodurch dieser leitend wird und die Kollektorspannung (V_OUT) niedrig zieht. Wenn ein Objekt den Strahl unterbricht, schaltet der Fototransistor ab, und V_OUTwird hoch. Der Wert von R_Lmuss basierend auf der gewünschten Ausgangsspannungsauslenkung und Geschwindigkeit gewählt werden. Bei einer 5V-Versorgung und einem typischen I_Svon 2µA würde ein R_Lvon 10 kΩ einen Spannungsabfall von etwa 20 mV bei Beleuchtung ergeben, was recht gering ist. Daher würde typischerweise eine Operationsverstärker-Komparatorstufe nach dem Fototransistor hinzugefügt, um ein sauberes digitales Ausgangssignal zu liefern. Das dunkelgrüne Gehäuse hilft, Umgebungslicht zu unterdrücken, was das System robust für den Einsatz unter verschiedenen Lichtverhältnissen macht.

10. Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist im Wesentlichen ein Bipolartransistor (BJT), bei dem der Basisstrom durch Licht erzeugt wird und nicht elektrisch zugeführt wird. Beim LTR-516AD (einem NPN-Typ) erzeugen einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke von Silizium Elektronen-Loch-Paare im Basis-Kollektor-Übergangsbereich. Diese photogenerierten Ladungsträger werden durch das elektrische Feld abgesaugt und erzeugen effektiv einen Basisstrom. Dieser Basisstrom wird dann durch die Stromverstärkung (Beta, β) des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt. Das Bauteil wird typischerweise mit offenem oder nicht angeschlossenem Basisanschluss betrieben, und eine Sperrvorspannung wird über den Kollektor-Basis-Übergang angelegt, um die Verarmungszone zu verbreitern, was Empfindlichkeit und Geschwindigkeit verbessert.

11. Branchentrends

Das Gebiet der optischen Sensorik entwickelt sich ständig weiter. Es gibt einen Trend zur Integration, bei dem der Fotodetektor, Verstärker und digitale Logik in einem einzigen Chip kombiniert werden (z.B. integrierte Umgebungslichtsensoren, Näherungssensoren). Oberflächenmontage-Bauteile (SMD) werden für die automatisierte Montage immer häufiger eingesetzt als Durchsteckbauteile. Es gibt auch laufende Entwicklungen in Materialien und Designs, um die Empfindlichkeit zu verbessern, Rauschen (Dunkelstrom) zu reduzieren und den spektralen Bereich zu erweitern. Dennoch bleiben diskrete Bauteile wie der LTR-516AD für Anwendungen entscheidend, die spezifische Leistungsmerkmale, individuelle Lichtwege oder Hochspannungsfestigkeit erfordern, die in integrierten Lösungen möglicherweise nicht verfügbar sind. Das Prinzip der Verwendung gefilterter Gehäuse für spezifische spektrale Antworten bleibt eine gängige und effektive Designpraxis.