LTR-C950-TB-T IR-Fototransistor Datenblatt - Seitenansichtsgehäuse - Vce 30V - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Der LTR-C950-TB-T ist ein diskreter Infrarot (IR)-Fototransistor für Sensoranwendungen. Er gehört zu einer breiten Familie optoelektronischer Bauteile, die für Systeme zur zuverlässigen Detektion von Infrarotlicht vorgesehen sind. Die Hauptfunktion dieses Bauteils ist die Umwandlung einfallender Infrarotstrahlung in einen entsprechenden elektrischen Strom an seinem Kollektoranschluss. Das Seitenansichtsgehäuse mit Kuppellinse und schwarzem Gehäuse ist für die Leiterplattenmontage optimiert und hilft, Störungen durch Umgebungslicht zu reduzieren.

Das Bauteil ist für die Kompatibilität mit modernen automatisierten Montageprozessen ausgelegt, einschließlich Bestückungsautomaten und Infrarot-Reflow-Lötverfahren. Es zeichnet sich durch seine Ansprechempfindlichkeit auf Infrarotlicht mit einer Wellenlänge von 940nm aus, die häufig in verschiedenen Fernbedienungs- und Sensorsystemen verwendet wird, um sichtbares Lichtrauschen zu vermeiden.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

• RoHS-konform & umweltfreundliches Produkt:Ohne gefährliche Substanzen hergestellt, entspricht Umweltstandards.
• Optisches Design:Besitzt eine schwarze Seitenansichts-Kuppellinse, die ein spezifisches Sichtfeld bietet und den Sensor vor unerwünschtem Umgebungslicht abschirmt.
• Fertigungskompatibilität:Geliefert auf 8mm breitem Band auf 7-Zoll (178mm) Durchmesser Rollen, voll kompatibel mit Hochgeschwindigkeits-Bestückungsautomaten (Pick-and-Place).
• Prozesskompatibilität:Bis zu Standard-Infrarot-Reflow-Lötprofilen für die Oberflächenmontagetechnik (SMT) ausgelegt.
• Standardisiertes Gehäuse:Entspricht EIA-Standardgehäuseabmessungen, gewährleistet Vorhersagbarkeit beim Leiterplatten-Layout.

1.2 Zielanwendungen

Dieser Fototransistor eignet sich für eine Reihe elektronischer Anwendungen, die berührungslose Detektion oder Erfassung erfordern. Typische Anwendungsfälle sind:

• Infrarot-Empfänger:Decodierung von Signalen aus Fernbedienungen in Unterhaltungselektronik (Fernseher, Audiosysteme, Set-Top-Boxen).
• Leiterplattenmontierte Näherungs-/Objektsensoren:Erkennung von Anwesenheit, Abwesenheit oder Position eines Objekts in Haushaltsgeräten, Automatisierungsanlagen und Sicherheitsvorrichtungen.
• Einfache optische Schalter:Verwendung in Lichtschranken oder Reflektionssensoren.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die folgenden Abschnitte bieten eine detaillierte Aufschlüsselung der Betriebsgrenzen und Leistungsmerkmale des Bauteils unter spezifizierten Testbedingungen.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert.

• Verlustleistung (P_D):100 mW. Die maximale kontinuierliche Leistung, die das Bauteil als Wärme abführen kann.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen die Kollektor- und Emitteranschlüsse angelegt werden kann.
• Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO):5 V. Die maximale Sperrspannung zwischen Emitter und Kollektor.
• Betriebstemperaturbereich (T_A):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich für den normalen Funktionsbetrieb.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-55°C bis +100°C. Der sichere Temperaturbereich für das Bauteil im stromlosen Zustand.
• Infrarot-Lötbedingung:Hält einer Spitzentemperatur von 260°C für maximal 10 Sekunden während des Reflow-Lötens stand.

2.2 Elektrische und optische Kennwerte

Diese Parameter werden bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils.

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):30 V (Min). Die Spannung, bei der ein spezifizierter kleiner Sperrstrom (I_R= 100µA) ohne Beleuchtung (E_e= 0 mW/cm²) fließt.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO):5 V (Min). Ähnlich wie V_(BR)CEO, jedoch für die Sperrspannungsbedingung.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):0,4 V (Max). Die Spannung zwischen Kollektor und Emitter, wenn der Transistor vollständig "eingeschaltet" (leitend) ist, bei einer Bestrahlungsstärke von 0,5 mW/cm² und einem Kollektorstrom (I_C) von 100µA. Ein niedrigerer Wert deutet auf eine bessere Leistung hin.
• Anstiegszeit (T_r) & Abfallzeit (T_f):15 µs (Typ). Die Zeit, die der Ausgangsstrom benötigt, um als Reaktion auf einen gepulsten Lichteinfall von 10% auf 90% (Anstiegszeit) oder von 90% auf 10% (Abfallzeit) seines Maximalwerts zu steigen bzw. zu fallen. Gemessen mit V_CE=5V, I_C=1mA und R_L=1kΩ.
• Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO):100 nA (Max). Der kleine Leckstrom, der vom Kollektor zum Emitter fließt, wenn kein Licht auf das Bauteil fällt (V_CE= 20V). Niedriger ist besser für die Empfindlichkeit.
• Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON)):1,5 bis 9,2 mA. Der Kollektorstrom, der erzeugt wird, wenn das Bauteil mit einer standardisierten Infrarotquelle beleuchtet wird (E_e=0,5 mW/cm², λ=940nm, V_CE=5V). Dies ist der zentrale Empfindlichkeitsparameter.

3. Erklärung des Binning-Systems

Die Bauteile werden basierend auf ihrem Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON)) in Leistungsklassen (Bins) sortiert. Dies ermöglicht es Entwicklern, Bauteile mit konsistenter Empfindlichkeit für ihre spezifischen Schaltungsanforderungen auszuwählen.

• BIN A: I_C(ON)-Bereich von 1,5 mA (Min) bis 2,9 mA (Max).
• BIN B: I_C(ON)-Bereich von 2,9 mA (Min) bis 5,5 mA (Max).
• BIN C: I_C(ON)-Bereich von 5,5 mA (Min) bis 9,2 mA (Max).

Auf die Grenzen jeder Klasse wird eine Toleranz von ±15% angewendet. Entwickler müssen diese Schwankung bei der Berechnung der Schaltungsverstärkung und Schwellenwerte berücksichtigen.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Graphen, die das Verhalten des Bauteils unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen.

4.1 Spektrale Empfindlichkeit

Ein Graph (Abb.1) zeigt die relative spektrale Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Der LTR-C950-TB-T weist eine maximale Empfindlichkeit bei etwa 940nm auf, was mit gängigen Infrarot-Emittern (IREDs) übereinstimmt. Die Empfindlichkeit fällt für Wellenlängen unter 800nm und über 1100nm stark ab, was eine inhärente Filterung gegen einen Großteil des sichtbaren Lichtspektrums bietet.

4.2 Dunkelstrom des Kollektors in Abhängigkeit von der Temperatur

Die Kurve (Abb.3) stellt den Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur (T_A) dar. I_CEOsteigt exponentiell mit der Temperatur an. Dies ist eine kritische Überlegung für Hochtemperaturanwendungen, da ein erhöhter Dunkelstrom das Grundrauschen erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors beeinträchtigen kann.

4.3 Dynamisches Ansprechverhalten in Abhängigkeit von der Last

Graphen (Abb.4) zeigen, wie sich die Anstiegszeit (T_r) und die Abfallzeit (T_f) mit dem Lastwiderstand (R_L) ändern. Beide Zeiten nehmen mit höherem Lastwiderstand zu. Für Anwendungen, die schnelles Schalten erfordern, ist ein kleinerer Lastwiderstand vorteilhaft, obwohl dies die Ausgangsspannungsamplitude verringert.

4.4 Relativer Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke

Dieser Graph (Abb.5) zeigt die Beziehung zwischen Ausgangsstrom und einfallender Lichtleistung (Bestrahlungsstärke). Die Antwort ist über einen signifikanten Bereich im Allgemeinen linear, was für analoge Sensoranwendungen wünschenswert ist. Er bestätigt die Funktion des Bauteils als proportionaler Licht-Strom-Wandler.

4.5 Strahlungsdiagramm

Ein Polardiagramm (Abb.6) veranschaulicht die Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit des Seitenansichtsgehäuses. Die relative Strahlungsintensität (oder Empfindlichkeit) wird über dem Einfallswinkel des Lichts aufgetragen. Dieses Diagramm ist für das mechanische Design essenziell, da es das effektive Sichtfeld (FOV) zeigt, innerhalb dessen der Sensor eine IR-Quelle zuverlässig detektiert.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Abmessungen

Das Bauteil hat ein standardmäßiges Seitenansichts-Fototransistorgehäuse. Wichtige Abmessungen sind Gehäusegröße, Anschlussabstand und Linsenposition. Alle Abmessungen sind in Millimetern angegeben, mit einer typischen Toleranz von ±0,1mm, sofern nicht anders angegeben. Die Pinbelegung identifiziert die Kollektor- und Emitteranschlüsse.

5.2 Empfohlene Lötflächengeometrie

Ein Land Pattern (Footprint) für das Leiterplattendesign wird bereitgestellt. Die empfohlenen Lötflächenabmessungen sind 1,0mm x 1,8mm für die Montageflächen, mit einem Abstand von 1,8mm dazwischen. Die Einhaltung dieses Musters gewährleistet eine zuverlässige Lötstelle während des Reflow-Lötens und eine korrekte mechanische Ausrichtung.

6. Löt- und Montagerichtlinien

6.1 Reflow-Lötprofil

Ein empfohlenes Reflow-Profil für bleifreie (Pb-free) Prozesse ist enthalten. Wichtige Parameter sind:

• Vorwärmen:150-200°C für maximal 120 Sekunden.
• Spitzentemperatur:260°C maximal.
• Zeit oberhalb der Liquidustemperatur:Das Bauteil sollte nicht länger als 10 Sekunden Temperaturen über 260°C ausgesetzt sein.

Das Profil basiert auf JEDEC-Standards. Ingenieure müssen das Profil für ihr spezifisches Leiterplattendesign, Lotpaste und Ofen charakterisieren.

6.2 Handlöten

Falls Handlöten notwendig ist, verwenden Sie einen Lötkolben mit einer Temperatur von nicht mehr als 300°C und begrenzen Sie die Kontaktzeit auf 3 Sekunden pro Lötstelle. Vermeiden Sie mechanische Belastung der Bauteilanschlüsse.

6.3 Reinigung

Falls eine Nachlötreinigung erforderlich ist, verwenden Sie ausschließlich alkoholbasierte Lösungsmittel wie Isopropanol. Vermeiden Sie aggressive oder unbekannte chemische Reiniger, die das Kunststoffgehäuse oder die Linse beschädigen könnten.

7. Verpackung und Handhabung

7.1 Spezifikationen für Band und Rolle

Die Bauteile sind in 8mm breitem, geprägtem Trägerband verpackt, das auf Rollen mit 7 Zoll (178mm) Durchmesser aufgewickelt ist. Jede Rolle enthält 2000 Stück. Die Verpackung entspricht den ANSI/EIA 481-1-A-1994 Standards. Hinweise geben an, dass maximal zwei aufeinanderfolgende Bauteiltaschen leer sein dürfen (gemäß Bandversiegelung) und dass die Ausrichtung der Teile im Band gekennzeichnet ist.

7.2 Lagerbedingungen

Verschlossene Verpackung:Lagern bei ≤30°C und ≤90% relativer Luftfeuchtigkeit (RH). Die Haltbarkeit in der versiegelten Feuchtigkeitssperrbeutel (mit Trockenmittel) beträgt ein Jahr.
Geöffnete Verpackung:Für Bauteile, die aus dem versiegelten Beutel entnommen wurden, darf die Lagerumgebung 30°C / 60% RH nicht überschreiten. Es wird dringend empfohlen, das IR-Reflow-Löten innerhalb einer Woche nach dem Öffnen abzuschließen. Für eine längere Lagerung außerhalb des Originalbeutels, lagern Sie in einem verschlossenen Behälter mit Trockenmittel oder in einem Stickstoff-Exsikkator. Bauteile, die länger als eine Woche offen 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-Lötens zu verhindern.

8. Anwendungshinweise und Designüberlegungen

8.1 Treiberschaltungsdesign

Der Fototransistor ist ein stromausgebendes Bauteil. In einer typischen Schaltung ist er in einer Emitterschaltung (Common-Emitter) konfiguriert. Ein Lastwiderstand (R_L) wird zwischen den Kollektor und die Versorgungsspannung (V_CC) geschaltet. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Einfallendes Licht verursacht einen Kollektorstrom (I_C), der einen Spannungsabfall über R_L erzeugt. Diese Spannung (V_OUT= V_CC- I_C*R_L) ist das Signalausgang.

Wichtige Designentscheidungen:

• Lastwiderstand (R_L):Ein höherer R_Lergibt eine größere Ausgangsspannungsänderung für eine gegebene Lichtänderung, erhöht aber die Ansprechzeit (siehe Abb.4). Ein niedrigerer R_Lbietet eine schnellere Reaktion, aber ein kleineres Signal.
• Vorspannung:Das Bauteil benötigt keinen externen Basisvorspannungsstrom; es wird vollständig durch Licht gesteuert.
• Mehrere Bauteile:Wenn mehrere Fototransistoren in einer Anwendung parallel geschaltet werden müssen, wird nicht empfohlen, sie direkt miteinander zu verbinden. Schwankungen in ihrem I_C(ON)(selbst innerhalb einer Klasse) führen zu ungleichmäßiger Stromaufteilung. Ein strombegrenzender Widerstand sollte in Reihe mit jedem Bauteil geschaltet werden, um ein einheitliches Verhalten sicherzustellen.

8.2 Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR)

• Modulation:Für Fernbedienungsanwendungen wird die IR-Quelle (IRED) mit einer spezifischen Trägerfrequenz (z.B. 38kHz) gepulst. Die Empfangsschaltung enthält einen Bandpassfilter, der auf diese Frequenz abgestimmt ist und konstantes Umgebungslicht und Rauschen unterdrückt.
• Optische Filterung:Das schwarze Gehäuse und die natürliche spektrale Empfindlichkeit (Maximum bei 940nm) bieten eine gewisse Filterung gegen sichtbares Licht. Für extrem rauschbehaftete Umgebungen kann ein zusätzlicher externer IR-Durchlass-/Sperrfilter für sichtbares Licht über dem Sensor verwendet werden.
• Elektrische Filterung:Eine nachgeschaltete Verstärkerstufe mit Hochpass- oder Bandpassfilterung kann das SNR für AC-gekoppelte Signale weiter verbessern.

8.3 Layout-Überlegungen

• Platzieren Sie den Sensor fern von wärmeerzeugenden Komponenten, um temperaturbedingte Drift des Dunkelstroms zu minimieren.
• Stellen Sie sicher, dass die empfohlene Lötflächengeometrie verwendet wird, um "Tombstoning" oder Fehlausrichtung während des Reflow-Lötens zu verhindern.
• Berücksichtigen Sie das Strahlungsdiagramm (Abb.6) beim Design des mechanischen Gehäuses, um sicherzustellen, dass die IR-Quelle innerhalb des empfindlichen Sichtwinkels des Sensors liegt.

9. Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist im Wesentlichen ein bipolarer Transistor (BJT), bei dem der Basisstrom durch Licht anstelle einer elektrischen Verbindung erzeugt wird. Die Basis-Kollektor-Sperrschicht fungiert als Fotodiode. Wenn Photonen mit ausreichender Energie (in diesem Fall Infrarot) auf diese Sperrschicht treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Dieser photogenerierte Strom wird dann durch die Stromverstärkung des Transistors (β oder h_FE) verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Das Seitenansichtsgehäuse positioniert den empfindlichen Halbleiterchip so, dass er Licht detektieren kann, das parallel zur Leiterplattenoberfläche einfällt.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario: Objekterkennung in einem Getränkeautomaten.Ein Lichtschrankensensor wird benötigt, um zu erkennen, wann ein Produkt durch einen Schacht fällt.

1. Bauteilauswahl:Ein LTR-C950-TB-T (BIN B) wird aufgrund seines Seitenansichtsgehäuses gewählt, das sich für die Montage am Rand einer Leiterplatte eignet, die über den Schacht blickt. Eine passende 940nm IRED wird als Lichtquelle ausgewählt.
2. Schaltungsdesign:Der Fototransistor ist in einer Emitterschaltung mit V_CC= 5V konfiguriert. Ein Lastwiderstand R_L= 2,2kΩ wird als Kompromiss zwischen guter Spannungsamplitude und akzeptabler Geschwindigkeit für diese Anwendung gewählt. Der Ausgang wird einem Komparator zugeführt, dessen Schwellwert so eingestellt ist, dass zwischen "Strahl vorhanden" (hoher Ausgang) und "Strahl unterbrochen" (niedriger Ausgang) unterschieden wird.
3. Mechanische Integration:Die IRED und der Fototransistor sind auf gegenüberliegenden Seiten des Produktschachts montiert, entsprechend ihren Strahlungs-/Empfindlichkeitsdiagrammen ausgerichtet. Lichtblenden können hinzugefügt werden, um Streulicht zu begrenzen.
4. Überlegungen:Die Umgebungstemperatur im Automaten wird überwacht, um sicherzustellen, dass sie im Betriebsbereich bleibt. Die anfängliche Ausgangsspannung wird gemessen und der Komparatorschwellwert wird mit ausreichendem Spielraum eingestellt, um Bauteiltoleranzen (Klasse ±15%) und mögliche Staubablagerungen auf den Linsen im Laufe der Zeit zu berücksichtigen.