LTR-536AD Fototransistor Datenblatt - Dunkelgrünes Gehäuse - 30V Sperrspannung - 150mW Verlustleistung - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-536AD ist ein leistungsstarker Silizium-NPN-Fototransistor, der speziell für Infrarot- (IR) Detektionsanwendungen entwickelt wurde. Seine Kernfunktion ist die Umwandlung einfallender Infrarotstrahlung in einen elektrischen Strom. Ein herausragendes Merkmal dieses Bauteils ist sein spezielles dunkelgrünes Kunststoff-Epoxid-Gehäuse. Dieses Material ist so formuliert, dass es Wellenlängen des sichtbaren Lichts dämpft oder "abschneidet", wodurch seine Empfindlichkeit und sein Signal-Rausch-Verhältnis speziell im Infrarotspektrum, typischerweise um 940nm, erheblich verbessert werden. Dies macht ihn zur idealen Wahl für Anwendungen, bei denen die Unterscheidung von Umgebungslicht entscheidend ist.

Kernvorteile:

• Hohe Lichtempfindlichkeit:Liefert ein starkes elektrisches Ausgangssignal für ein gegebenes Maß an Infrarotbestrahlung.
• Infrarot-optimiert:Das dunkelgrüne Gehäuse wirkt als Filter für sichtbares Licht, wodurch das Bauteil besonders für reine IR-Erfassung geeignet ist.
• Geringe Sperrschichtkapazität:Dieser Parameter ist entscheidend für Hochfrequenzbetrieb und ermöglicht schnellere Ansprechzeiten.
• Schnelle Schaltcharakteristiken:Bietet kurze Anstiegs- und Abfallzeiten, geeignet für gepulste IR-Systeme und Datenkommunikation.
• Hohe Grenzfrequenz:Unterstützt den Betrieb in höherfrequenten Schaltungen.

Zielmarkt:Dieser Fototransistor richtet sich an Entwickler und Ingenieure, die an infrarotbasierten Systemen arbeiten. Typische Anwendungen sind Näherungssensoren, Objekterkennung, berührungslose Schalter, IR-Datenübertragungsstrecken (wie Fernbedienungen), Industrieautomatisierung und alle Systeme, die eine zuverlässige Erkennung von Infrarotsignalen bei gleichzeitiger Unterdrückung von Störungen durch sichtbare Lichtquellen erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Alle Parameter sind bei einer Umgebungstemperatur (T_ADiese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter festgelegten Testbedingungen.

2.1 Absolute Maximalwerte

Dies sind die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Der Betrieb sollte stets innerhalb dieser Grenzen gehalten werden.

• Verlustleistung (P_D):150 mW. Dies ist die maximal zulässige Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann.
• Sperrspannung (V_R):30 V. Die maximale Spannung, die in Sperrrichtung über den Kollektor-Emitter-Übergang angelegt werden darf.
• Betriebstemperaturbereich (T_oper):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für den normalen Betrieb des Bauteils.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die Lagerung im nicht betriebsbereiten Zustand.
• Lötemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies definiert die Einschränkungen für das Reflow-Lötprofil.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

These parameters define the device's performance under specified test conditions.

• Sperrspannungsdurchbruch (V_(BR)R):30 V (Min). Die Spannung, bei der der Sperrstrom (I_R) stark ansteigt (getestet bei 100µA). Dies korreliert mit dem absoluten Maximalwert.
• Sperr-Dunkelstrom (I_D(R)):30 nA (Max). Der Leckstrom, der fließt, wenn das Bauteil in Sperrrichtung vorgespannt ist (V_R=10V) und sich in völliger Dunkelheit befindet (E_e=0). Ein niedrigerer Wert zeigt eine bessere Leistung bei schwachem Licht an.
• Leerlaufspannung (V_OC):350 mV (Typ). Die am Bauteil unter Beleuchtung (λ=940nm, E_e=0,5mW/cm²) ohne externe Last (Leerlauf) erzeugte Spannung.
• Kurzschlussstrom (I_S):1,7 µA (Min), 2 µA (Typ). Der Strom, der fließt, wenn das Bauteil beleuchtet wird (λ=940nm, E_e=0,1mW/cm²) und der Ausgang kurzgeschlossen ist (V_R=5V). Dies ist ein Schlüsselmaß für die Empfindlichkeit.
• Anstiegszeit (T_r) & Abfallzeit (T_f):50 ns (Typ). Die Zeit, die der Ausgangsstrom benötigt, um als Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Beleuchtung von 10% auf 90% (Anstieg) oder von 90% auf 10% (Abfall) seines Endwerts zu steigen bzw. zu fallen. Kritisch für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
• Gesamtkapazität (C_T):25 pF (Typ). Die bei V_R=3V und f=1MHz im Dunkeln gemessene Sperrschichtkapazität. Eine geringere Kapazität ermöglicht schnellere Schaltgeschwindigkeiten.
• Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit (λ_SMAX):900 nm (Typ). Die Spitzenwellenlänge des Infrarotlichts, auf das der Fototransistor am empfindlichsten reagiert. Er ist für Emitter um 940nm optimiert.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen. Diese sind für detaillierte Entwicklungsarbeiten jenseits der typischen/Min-/Max.-Werte von unschätzbarem Wert.

3.1 Dunkelstrom vs. Sperrspannung (Abb.1)

Diese Kurve zeigt, wie der Sperr-Dunkelstrom (I_D) mit der angelegten Sperrspannung (V_R) ansteigt. Typischerweise zeigt sie bei niedrigeren Spannungen einen sehr niedrigen, relativ konstanten Strom, mit einem allmählichen Anstieg bei steigender Spannung, der in dem steilen Anstieg bei der Durchbruchspannung gipfelt. Entwickler müssen sicherstellen, dass die Betriebs-V_Rausreichend unterhalb des Knies dieser Kurve liegt, um Rauschen durch Leckströme zu minimieren.

3.2 Kapazität vs. Sperrspannung (Abb.2)

Dieses Diagramm zeigt die Beziehung zwischen Sperrschichtkapazität (C_T) und Sperrspannung. Die Kapazität nimmt mit steigender Sperrspannung ab. Für Hochgeschwindigkeitsschaltungen kann der Betrieb bei einer höheren Sperrspannung (innerhalb der Grenzen) C_Tverringern und die Bandbreite verbessern, dies muss jedoch gegen den erhöhten Dunkelstrom (aus Abb.1) abgewogen werden.

3.3 Fotostrom & Dunkelstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb.3 & Abb.4)

Abbildung 3 zeigt, wie sich der Fotostrom (I_P) mit der Umgebungstemperatur ändert. Die Empfindlichkeit von Fototransistoren nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur ab. Abbildung 4 zeigt den exponentiellen Anstieg des Dunkelstroms (I_D) mit steigender Temperatur. Diese beiden Kurven sind entscheidend für die Entwicklung von Systemen, die über einen weiten Temperaturbereich (z.B. -40°C bis +85°C) zuverlässig arbeiten müssen. Bei hohen Temperaturen kann der ansteigende Dunkelstrom ein schwaches optisches Signal überlagern und das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtern.

3.4 Relative spektrale Empfindlichkeit (Abb.5)

Dies ist vielleicht die wichtigste Kurve für die Anwendungsabstimmung. Sie stellt die normalisierte Empfindlichkeit des Fototransistors über einen Wellenlängenbereich (typischerweise ~800nm bis 1100nm) dar. Der LTR-536AD zeigt eine Spitzenempfindlichkeit um 900nm und eine signifikante Dämpfung im sichtbaren Lichtspektrum (<800nm), was eine direkte Folge seines dunkelgrünen Gehäuses ist. Diese Kurve muss mit dem Emissionsspektrum der vorgesehenen IR-LED oder Lichtquelle abgeglichen werden, um eine optimale Kopplung zu gewährleisten.

3.5 Fotostrom vs. Bestrahlungsstärke (Abb.6)

Dieses Diagramm zeigt den linearen Zusammenhang zwischen der einfallenden Infrarotlichtleistung (Bestrahlungsstärke E_e) und dem resultierenden Fotostrom (I_P). Die Steigung dieser Linie repräsentiert die Empfindlichkeit des Bauteils. Es bestätigt, dass das Bauteil für den getesteten Bestrahlungsstärkebereich in einem linearen Bereich arbeitet, was für analoge Erfassungsanwendungen wünschenswert ist.

3.6 Gesamtverlustleistung vs. Umgebungstemperatur (Abb.8)

Diese Entlastungskurve zeigt die maximal zulässige Verlustleistung (P_D) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Der absolute Maximalwert von 150mW gilt nur bis zu einer bestimmten Temperatur (wahrscheinlich 25°C). Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt die Fähigkeit des Bauteils, Wärme abzuführen, ab, daher muss die maximal zulässige Leistung linear reduziert werden, um Überhitzung zu verhindern. Dies ist entscheidend für Zuverlässigkeitsberechnungen.

4. Mechanische & Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der LTR-536AD ist in einem standardmäßigen 3mm (T-1) Durchsteckgehäuse erhältlich. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben (Zoll in Klammern).
• Es gilt eine Standardtoleranz von ±0,25mm (.010"), sofern nicht anders angegeben.
• Der maximale Harzvorsprung unter dem Flansch beträgt 1,5mm (.059").
• Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Gehäusekörper austreten.

Polaritätskennzeichnung:Das Bauteil hat eine flache Seite an der Linse, die typischerweise den Kollektoranschluss anzeigt. Der längere Anschluss ist normalerweise der Emitter. Entwickler sollten die Polarität jedoch vor dem Einbau stets mit einem Multimeter im Diodentestmodus überprüfen.

5. Löt- & Montagerichtlinien

Um die Integrität des Bauteils während der Montage zu gewährleisten, müssen die folgenden Bedingungen eingehalten werden:

• Reflow-Löten:Die Anschlüsse halten einer Temperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden stand. Diese Messung wird 1,6mm (0,063") vom Gehäusekörper entfernt vorgenommen. Standard-Wellen- oder Reflow-Profile müssen an diese Grenze angepasst werden, um Schäden am internen Halbleiterchip oder am Epoxidgehäuse zu verhindern.
• Handlöten:Wenn Handlöten erforderlich ist, verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze und minimieren Sie die Kontaktzeit auf weniger als 3 Sekunden pro Anschluss. Verwenden Sie nach Möglichkeit eine Wärmesenken-Klempe am Anschluss zwischen Lötstelle und Gehäusekörper.
• Reinigung:Verwenden Sie nur zugelassene Reinigungsmittel, die mit dem dunkelgrünen Epoxidmaterial kompatibel sind. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung, sofern deren Kompatibilität und Leistungs-/Zeiteinstellungen nicht überprüft wurden, da sie das Gehäuse oder interne Verbindungen beschädigen kann.
• Lagerbedingungen:Lagern Sie das Bauteil in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des angegebenen Lagertemperaturbereichs von -55°C bis +100°C. Die originale Feuchtigkeitssperrbeutel sollte bei längerer Lagerung verwendet werden.

6. Anwendungsvorschläge & Designüberlegungen

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Der LTR-536AD kann in zwei Hauptkonfigurationen verwendet werden:

1. Schaltbetrieb (Digitaler Ausgang):Der Fototransistor ist in Reihe mit einem Pull-up-Widerstand zwischen der Versorgungsspannung (V_CC) und Masse geschaltet. Der Ausgang wird vom Kollektorknoten abgenommen. Wenn IR-Licht auf den Sensor fällt, schaltet er ein und zieht die Ausgangsspannung auf Low. Im Dunkeln schaltet er aus, und der Pull-up-Widerstand zieht den Ausgang auf High. Der Wert des Pull-up-Widerstands bestimmt die Schaltgeschwindigkeit und den Stromverbrauch (ein kleinerer Widerstand ermöglicht schnelleres Schalten, aber höhere Leistungsaufnahme).
2. Linearer Betrieb (Analoger Ausgang):Ähnliche Konfiguration, aber der Fototransistor wird mit einem festen Basisstrom (oft Null, nur auf Fotostrom angewiesen) und einem Kollektorwiderstand in seinem aktiven Bereich vorgespannt. Die Spannung am Kollektor variiert linear mit der Intensität des einfallenden IR-Lichts. Dieser Modus wird für analoge Erfassung, wie Entfernungsmessung oder Lichtpegel-Erkennung, verwendet.

6.2 Kritische Designaspekte

• Quellenabgleich:Kombinieren Sie den LTR-536AD stets mit einem IR-Emitter (LED), der eine Spitzenwellenlänge nahe 940nm hat und mit dem spektralen Empfindlichkeitsmaximum (900nm) des Fototransistors übereinstimmt, um maximale Effizienz zu erzielen.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Obwohl das dunkelgrüne Gehäuse hilft, können für den Betrieb in hellen Umgebungen zusätzliche optische Filterung (ein dedizierter IR-Passfilter) oder Modulations-/Demodulationstechniken (Pulsen der IR-Quelle und synchrone Signaldetektion) erforderlich sein, um Umgebungslichtrauschen zu unterdrücken.
• Vorspannung für Geschwindigkeit:Um die schnellstmögliche Ansprechzeit (50ns typ.) zu erreichen, betreiben Sie das Bauteil mit einer Sperrspannung (V_CE) von etwa 10V und verwenden Sie einen kleinen Lastwiderstand (z.B. 1kΩ wie in der Testbedingung). Dies minimiert die RC-Zeitkonstante, die durch die Sperrschichtkapazität (C_T) und den Lastwiderstand (R_L) gebildet wird.
• Temperaturkompensation:Für Präzisionsanwendungen über einen weiten Temperaturbereich sollten Schaltungstechniken zur Kompensation der Schwankungen von Dunkelstrom und Empfindlichkeit in Betracht gezogen werden. Dies könnte die Verwendung eines abgeglichenen Fototransistors in einem dunklen Referenzkanal oder die Implementierung einer temperaturabhängigen Verstärkungsanpassung in der Signalaufbereitungsschaltung beinhalten.

7. Technischer Vergleich & Differenzierung

Der LTR-536AD unterscheidet sich auf dem Fototransistormarkt durch sein spezialisiertes Gehäuse. Im Vergleich zu Standard-Fototransistoren mit klarem oder wasserklarem Epoxidgehäuse ist sein Hauptvorteil der eingebaute Abschneideffekt für sichtbares Licht. Dies macht in vielen Anwendungen einen externen IR-Filter überflüssig, reduziert die Bauteilanzahl, die Kosten und die Montagekomplexität. Seine Kombination aus relativ schneller Schaltgeschwindigkeit (50ns), geringer Kapazität (25pF) und guter Empfindlichkeit (2µA typ. bei 0,1mW/cm²) macht ihn zu einer ausgewogenen Wahl sowohl für analoge Erfassung als auch für mittelschnelle digitale IR-Kommunikationsstrecken.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

8.1 Kann ich diesen mit einer roten LED (650nm) verwenden?

Antwort:Nein, es wird nicht empfohlen. Die Kurve der relativen spektralen Empfindlichkeit (Abb.5) zeigt eine sehr geringe Empfindlichkeit bei 650nm (sichtbares Rot). Das dunkelgrüne Gehäuse blockiert diese Wellenlänge aktiv. Für die Detektion von rotem Licht sollte ein Fototransistor mit klarem Gehäuse und einer Spitzenempfindlichkeit im sichtbaren Bereich gewählt werden.

8.2 Warum ist mein Ausgangssignal in einer warmen Umgebung verrauscht?

Antwort:Siehe Abbildung 4 (Dunkelstrom vs. Temperatur). Der Dunkelstrom steigt exponentiell mit der Temperatur an. Wenn Ihre Schaltung zum Erkennen eines schwachen IR-Signals ausgelegt ist, kann der thermisch erzeugte Dunkelstrom bei erhöhten Temperaturen signifikant werden und als Rauschen oder DC-Offset erscheinen. Lösungen umfassen die Kühlung des Sensors, die Verwendung einer modulierten Lichtquelle mit synchroner Detektion oder die Auswahl einer Schaltungstopologie, die den Dunkelstrom subtrahiert.

8.3 Wie wähle ich den Wert des Lastwiderstands (R_L)?

Antwort:Es handelt sich um einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Leistung.
Für Geschwindigkeit (Digitales Schalten):Wählen Sie einen kleinen R_L(z.B. 1kΩ bis 4,7kΩ). Dies ergibt eine kleine RC-Zeitkonstante (C_T* R_L) für schnelle Flanken, zieht aber mehr Strom.
Für hohen Spannungshub (Analoge Erfassung):Wählen Sie einen größeren R_L(z.B. 10kΩ bis 100kΩ). Dies bietet eine größere Ausgangsspannungsänderung für eine gegebene Lichtänderung, verlangsamt aber die Ansprechzeit.
Stellen Sie stets sicher, dass der Spannungsabfall über R_L, wenn der Fototransistor voll eingeschaltet ist, nicht dazu führt, dass die Kollektor-Emitter-Spannung unter den Sättigungswert fällt, und dass die Verlustleistung im Fototransistor unterhalb des für Ihre Betriebstemperatur entlasteten Grenzwerts bleibt.

9. Praktisches Anwendungsbeispiel

Anwendung:Berührungslose Objekterkennung in einem Industriezähler.
Umsetzung:Eine IR-LED (940nm) und der LTR-536AD sind auf gegenüberliegenden Seiten eines Förderbands montiert (Lichtschranken-Konfiguration). Die LED wird mit einer Treiberschaltung mit 10kHz gepulst. Der Fototransistor ist im Schaltbetrieb mit einem 4,7kΩ Pull-up-Widerstand an 5V angeschlossen. Sein Ausgang wird an einen Capture-Eingang eines Mikrocontrollers geführt. Unter normalen Bedingungen (kein Objekt) erreicht das gepulste IR-Licht den Sensor, wodurch der Ausgang mit 10kHz pulst. Die Mikrocontroller-Firmware erkennt diese Frequenz. Wenn ein Objekt den Strahl durchquert, blockiert es das Licht, und der Ausgang des Fototransistors geht auf und bleibt auf High (oder Low, je nach Logik). Der Mikrocontroller erkennt das Fehlen des 10kHz-Signals und erhöht einen Zähler. Das dunkelgrüne Gehäuse des LTR-536AD verhindert, dass Umgebungslicht von Leuchtstofflampen oder Glühlampen in der Fabrik den Zähler fälschlicherweise auslöst.

10. Einführung in das Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist im Grunde ein bipolarer Transistor (BJT), bei dem der Basisstrom durch Licht erzeugt wird und nicht elektrisch zugeführt wird. Beim LTR-536AD (NPN-Typ) werden einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke von Silizium (entsprechend Wellenlängen kürzer als ~1100nm) im Basis-Kollektor-Übergangsbereich absorbiert. Diese Absorption erzeugt Elektron-Loch-Paare. Das elektrische Feld im sperrvorgespannten Kollektor-Basis-Übergang trennt diese Ladungsträger und erzeugt einen Fotostrom. Dieser Fotostrom wirkt genau wie ein in den Transistor injizierter Basisstrom. Aufgrund der Stromverstärkung (Beta, β) des Transistors ist der Kollektorstrom viel größer als der anfängliche Fotostrom (I_C= β * I_photo). Diese interne Verstärkung ist es, die Fototransistoren im Vergleich zu Fotodioden ihre hohe Empfindlichkeit verleiht. Das dunkelgrüne Epoxid absorbiert die meisten Photonen des sichtbaren Lichts, sodass hauptsächlich Infrarotphotonen den Siliziumchip erreichen, wodurch das Bauteil selektiv für IR empfindlich wird.

11. Technologietrends

Das Gebiet der Optoelektronik entwickelt sich ständig weiter. Während diskrete Durchsteck-Fototransistoren wie der LTR-536AD für viele Anwendungen nach wie vor wichtig sind, umfassen die Trends:
Integration:Zunehmende Integration des Fotodetektors mit analoger Front-End-Schaltung (Verstärker, Filter) und digitaler Logik (Komparatoren, Logikausgänge) in Ein-Chip-Lösungen oder Module.
Oberflächenmontage-Technologie (SMT):Ein starker Trend zu kleineren SMT-Gehäusen für automatisierte Montage und reduzierten Leiterplattenplatz, oft jedoch auf Kosten der Empfindlichkeit aufgrund kleinerer aktiver Bereiche.
Spezialisierung:Entwicklung von Bauteilen mit noch spezifischeren spektralen Antworten, höheren Geschwindigkeiten für optische Datenkommunikation und verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Umgebungen (höhere Temperatur, Feuchtigkeit).
Das Kernprinzip des Fototransistors bleibt unverändert, aber seine Implementierungen werden anwendungsspezifischer und integrierter.