LTR-516AB Infrarot-Fototransistor Datenblatt - Gehäuseabmessungen - Sperrspannung 30V - Wellenlänge 940nm - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Der LTR-516AB ist ein Silizium-NPN-Fototransistor, der speziell für Infrarot- (IR) Detektionsanwendungen entwickelt wurde. Seine Kernfunktion besteht darin, einfallendes Infrarotlicht in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Ein wesentliches Merkmal ist sein spezielles dunkelblaues Kunststoff-Epoxidharz-Gehäuse, das als Filter für sichtbares Licht fungiert. Dieses Design reduziert die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Umgebungslicht erheblich, wodurch er besonders geeignet ist für Anwendungen, die ausschließlich auf Infrarotsignale angewiesen sind, wie z.B. Fernbedienungssysteme, Objekterkennung und IR-Datenübertragung.

Das Bauteil vereint hohe Lichtempfindlichkeit mit schnellen Ansprechzeiten und ermöglicht so eine zuverlässige Erkennung modulierter IR-Signale. Seine geringe Sperrschichtkapazität trägt zu einer hohen Grenzfrequenz bei, was für Hochgeschwindigkeits-Schaltanwendungen vorteilhaft ist.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Der LTR-516AB hält eine maximale Sperrspannung (V_R) von 30V stand. Seine maximale Verlustleistung beträgt 150 mW bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C. Das Bauteil ist für den Betrieb im Temperaturbereich von -40°C bis +85°C ausgelegt und kann in Umgebungen von -55°C bis +100°C gelagert werden. Beim Löten können die Anschlüsse 260°C für bis zu 5 Sekunden aushalten, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Diese Parameter werden unter spezifischen Testbedingungen bei T_A=25°C gemessen und definieren die Leistungsfähigkeit des Bauteils.

• Sperrspannungs-Durchbruchsspannung (V_(BR)R): Mindestens 30V bei I_R=100µA. Dies ist die Spannung, bei der der Sperrschichtdurchbruch erfolgt.
• Sperr-Dunkelstrom (I_D(R)): Maximal 30 nA bei V_R=10V. Dies ist der geringe Leckstrom, der fließt, wenn kein Licht auf das Bauteil fällt.
• Leerlaufspannung (V_OC): Typisch 350 mV bei Beleuchtung mit 940nm IR-Licht und einer Bestrahlungsstärke (E_e) von 0,5 mW/cm². Dies ist die an den offenen Anschlüssen erzeugte Spannung.
• Kurzschlussstrom (I_S): Typisch 2 µA (min. 1,7 µA) bei V_R=5V, λ=940nm und E_e=0,1 mW/cm². Dies repräsentiert den Fotostrom, der bei kurzgeschlossenem Ausgang erzeugt wird.
• Anstiegs-/Abfallzeit (T_r, T_f): Jeweils maximal 50 ns. Diese Parameter definieren die Schaltgeschwindigkeit des Fototransistors bei Ansteuerung durch eine gepulste Lichtquelle, mit einem Lastwiderstand (R_L) von 1 kΩ und V_R=10V.
• Gesamtkapazität (C_T): Maximal 25 pF bei V_R=3V und f=1 MHz. Eine geringe Kapazität ist entscheidend für Hochfrequenzbetrieb.
• Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit (λ_SMAX): Etwa 900 nm. Das Bauteil ist für Infrarotlicht in der Nähe dieser Wellenlänge am empfindlichsten.

3. Analyse der Kennlinien

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

3.1 Dunkelstrom in Abhängigkeit von der Sperrspannung

Abbildung 1 zeigt den Zusammenhang zwischen Sperr-Dunkelstrom (I_D) und angelegter Sperrspannung (V_R). Der Dunkelstrom bleibt über den spezifizierten Spannungsbereich sehr niedrig (im pA- bis niedrigen nA-Bereich), was für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei der Schwachlichtdetektion wesentlich ist.

3.2 Kapazität in Abhängigkeit von der Sperrspannung

Abbildung 2 zeigt, wie die Sperrschichtkapazität (C_t) mit steigender Sperrspannung abnimmt. Dies ist eine typische Eigenschaft von PN-Übergängen. Der Betrieb mit einer höheren Sperrspannung kann die Kapazität verringern und damit das Hochfrequenzverhalten verbessern.

3.3 Temperaturabhängigkeit

Abbildung 3 zeigt, dass der Fotostrom (I_P) einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist; er steigt bei konstanter Bestrahlungsstärke im Allgemeinen mit der Umgebungstemperatur an. Abbildung 4 verdeutlicht, dass der Dunkelstrom (I_D) exponentiell mit der Temperatur zunimmt. Entwickler müssen diese Schwankungen in Anwendungen mit großen Betriebstemperaturbereichen berücksichtigen.

3.4 Spektrale Empfindlichkeit

Abbildung 5 ist ein entscheidendes Diagramm, das die relative spektrale Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt. Die Empfindlichkeit erreicht ihr Maximum bei etwa 900 nm und erstreckt sich von ungefähr 700 nm bis 1100 nm, was den nahen Infrarotbereich abdeckt. Das dunkelblaue Gehäuse dämpft die Empfindlichkeit unterhalb von etwa 700 nm (sichtbares Licht) effektiv.

3.5 Fotostrom in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke

Abbildung 6 demonstriert den linearen Zusammenhang zwischen erzeugtem Fotostrom (I_P) und einfallender Infrarot-Bestrahlungsstärke (E_e) bei 940 nm. Diese Linearität ist für analoge Erfassungsanwendungen wichtig.

3.6 Derating-Kurve

Abbildung 8 zeigt die Derating-Kurve der gesamten Verlustleistung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Die maximal zulässige Verlustleistung nimmt linear ab, wenn die Umgebungstemperatur über 25°C steigt. Diese Kurve ist entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb und die Vermeidung von thermischem Durchgehen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der LTR-516AB ist in einem standardmäßigen 3-mm-Radialgehäuse mit Anschlussdrähten erhältlich. Wichtige Abmessungen sind Gehäusedurchmesser, Anschlussabstand und Gesamtlänge. Das dunkelblaue Epoxidharz ist linsenförmig geformt. Am Gehäusekörper befindet sich eine kleine Kante, wobei angemerkt wird, dass hervorstehendes Harz unter dieser Kante eine maximale Höhe von 1,5 mm aufweisen darf. Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Gehäuse austreten. Alle Maßtoleranzen betragen ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Der längere Anschluss ist typischerweise der Kollektor, der kürzere der Emitter. Die flache Seite am Gehäuserand kann ebenfalls als visueller Hinweis für die korrekte Ausrichtung dienen. Zur eindeutigen Pin-Identifikation sollte stets auf das Gehäusediagramm verwiesen werden.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Das Bauteil eignet sich für Wellenlöt- oder Handlötprozesse. Der absolute Maximalwert gibt an, dass die Anschlüsse 260°C für 5 Sekunden aushalten können, gemessen 1,6 mm (0,063\") vom Gehäusekörper entfernt. Es wird empfohlen, einen Lötkolben mit Temperaturregelung zu verwenden und die gesamte Wärmeeinwirkungszeit zu minimieren, um Schäden am Epoxidharzgehäuse oder dem internen Halbleiterchip zu vermeiden. Vermeiden Sie mechanische Belastung der Anschlüsse während und nach dem Löten.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Der LTR-516AB wird üblicherweise in einer einfachen Emitterschaltung verwendet. Der Kollektor wird über einen Lastwiderstand (R_CC) mit einer positiven Versorgungsspannung (V_L) verbunden. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Wenn IR-Licht auf den Fototransistor fällt, schaltet er durch, was einen Spannungsabfall über R_L verursacht. Dieses Spannungssignal kann einem Komparator, einem Mikrocontroller-ADC oder einem Verstärker zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Der Wert von R_L beeinflusst Verstärkung, Bandbreite und Aussteuerbereich; ein 1-kΩ-Widerstand wird in der Testbedingung für Anstiegs-/Abfallzeit verwendet.

6.2 Designüberlegungen

• Vorspannung: Das Anlegen einer Sperrspannung (V_R) verringert die Sperrschichtkapazität und verbessert die Geschwindigkeit, kann aber den Dunkelstrom leicht erhöhen.
• Unterdrückung von Umgebungslicht: Das dunkelblaue Gehäuse bietet eine ausgezeichnete Unterdrückung von sichtbarem Licht. Für Anwendungen in Umgebungen mit starken IR-Quellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) können jedoch zusätzliche optische Filter oder Gehäusedesigns erforderlich sein.
• Geschwindigkeit vs. Empfindlichkeit: Ein kleinerer Lastwiderstand (R_L) verbessert die Schaltgeschwindigkeit, verringert aber den Ausgangsspannungshub für einen gegebenen Fotostrom. Entwickler müssen diese Faktoren basierend auf den Anwendungsanforderungen abwägen.
• Temperaturkompensation: Für präzise analoge Erfassung über einen weiten Temperaturbereich kann eine Schaltung zur Kompensation der Schwankungen von Dunkelstrom und Fotostrom erforderlich sein.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Das primäre Unterscheidungsmerkmal des LTR-516AB ist sein dunkelblaues Gehäuse, das bei Standard-Fototransistoren mit klarem oder wasserklarem Gehäuse nicht zu finden ist. Dieser integrierte Filter macht ihn für reine IR-Anwendungen durch Vereinfachung des optischen Designs überlegen. Im Vergleich zu Fotodioden bieten Fototransistoren eine interne Verstärkung, was zu einem höheren Ausgangsstrom bei gleicher Lichtintensität führt, jedoch typischerweise langsamere Ansprechzeiten aufweist. Die Anstiegs-/Abfallzeit von 50 ns des LTR-516AB positioniert ihn gut für mittelschnelle IR-Kommunikationsprotokolle.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Zweck des dunkelblauen Gehäuses?

A: Es fungiert als Filter, der den größten Teil des sichtbaren Lichts blockiert, sodass hauptsächlich Infrarotlicht den Halbleiterchip erreicht. Dies verbessert die Leistung in IR-Systemen, indem Rauschen durch Umgebungslicht reduziert wird.

F: Kann ich diesen Sensor zur Erkennung von sichtbarem Licht verwenden?

A: Nein, seine Empfindlichkeit im sichtbaren Spektrum wird durch den Gehäusefilter stark gedämpft. Er ist speziell für die Infrarotdetektion entwickelt.

F: Wie wähle ich den Wert des Lastwiderstands (R_L)?

A: Die Wahl beinhaltet einen Kompromiss. Ein höherer R_L ergibt mehr Ausgangsspannung pro Einheit Fotostrom (höhere Verstärkung), erhöht aber die RC-Zeitkonstante und verlangsamt die Reaktion. Beginnen Sie mit dem 1-kΩ-Wert aus der Testbedingung und passen Sie ihn basierend auf Ihrer benötigten Geschwindigkeit und Signalhöhe an.

F: Was ist der Unterschied zwischen Kurzschlussstrom (I_S) und Fotostrom in einer Schaltung?

A: I_S ist ein Parameter, der unter spezifischen Kurzschlussbedingungen gemessen wird. In einer praktischen Schaltung mit einem Lastwiderstand wird der Ausgangsstrom aufgrund des Innenwiderstands des Transistors und der angelegten Vorspannung etwas geringer sein.

9. Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist ein bipolarer Sperrschichttransistor (BJT), bei dem die Basis-Kollektor-Sperrschicht Licht ausgesetzt ist. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters erzeugen Elektron-Loch-Paare im Sperrschichtbereich dieses Übergangs. Diese Ladungsträger werden durch das elektrische Feld abgesaugt und erzeugen einen Basisstrom. Dieser photogenerierte Basisstrom wird dann durch die Stromverstärkung (h_FE) des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt. Somit steuert ein kleines Lichtsignal einen größeren Ausgangsstrom.

10. Entwicklungstrends

Das Gebiet der Optoelektronik entwickelt sich weiter in Richtung höherer Integration, kleinerer Gehäuse (wie SMD-Bauteile) und verbesserter Leistung. Trends umfassen Fototransistoren und Fotodioden, die mit Verstärkungs- und Signalaufbereitungsschaltungen auf einem einzigen Chip integriert sind (Opto-ICs), was die Systemkomplexität reduziert. Es gibt auch laufende Entwicklungen bei Materialien und Gehäusen, um Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Wellenlängenselektivität für neue Anwendungen in der Sensorik, LiDAR und optischen Kommunikation zu verbessern.