LTR-3208 Fototransistor Datenblatt - Gehäuseabmessungen - Kollektor-Emitter-Spannung 30V - Verlustleistung 100mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-3208 ist ein Silizium-NPN-Fototransistor, der für Infrarot-Erkennungsanwendungen konzipiert ist. Er ist in einem kostengünstigen Kunststoffgehäuse untergebracht, das eine für hohe Empfindlichkeit optimierte integrierte Linse aufweist. Diese Komponente ist darauf ausgelegt, einfallendes Infrarotlicht in einen entsprechenden elektrischen Strom an seinem Kollektoranschluss umzuwandeln. Dies macht ihn geeignet für verschiedene Erfassungs- und Detektionssysteme, bei denen eine zuverlässige und kosteneffiziente Lichtdetektion erforderlich ist.

1.1 Kernvorteile

Das Bauteil bietet Entwicklern mehrere wesentliche Vorteile. Sein Hauptmerkmal ist ein breiter Arbeitsbereich für den Kollektorstrom, der Flexibilität im Schaltungsdesign über verschiedene Signalpegel hinweg bietet. Die direkt in das Gehäuse integrierte Linse erhöht die Empfindlichkeit gegenüber einfallender Infrarotstrahlung, verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und die Detektionsreichweite. Darüber hinaus trägt die Verwendung eines Standard-Kunststoffgehäuses zu niedrigen Gesamtbauteilkosten bei, was es zu einer attraktiven Option für anspruchsvolle oder kostenbewusste Anwendungen macht.

1.2 Zielmarkt und Anwendungen

Dieser Fototransistor zielt auf den breiten Markt der Optoelektronik ab und bedient Anwendungen, die berührungslose Erfassung erfordern. Typische Einsatzfälle sind Objekterkennung, Positionserfassung, Schlitzunterbrecher (z.B. in Druckern und Encodern), berührungslose Schalter und industrielle Automatisierungssysteme. Seine Zuverlässigkeit und einfache Schnittstelle (typischerweise ist nur ein Pull-up-Widerstand und eine Versorgungsspannung erforderlich) machen ihn zu einer gängigen Wahl für sowohl Unterhaltungselektronik als auch industrielle Steuerungssysteme.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Die elektrische und optische Leistung des LTR-3208 wird unter Standard-Umgebungstemperaturbedingungen (25°C) charakterisiert. Das Verständnis dieser Parameter ist entscheidend für ein korrektes Schaltungsdesign und einen zuverlässigen Betrieb innerhalb der spezifizierten Grenzen des Bauteils.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder an diesen Grenzen wird nicht garantiert. Die maximale Verlustleistung beträgt 100 mW, was das thermische Design der Anwendung bestimmt. Die Nenn-Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO) beträgt 30V, während die Nenn-Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO) 5V beträgt, was die Asymmetrie des Bauteils anzeigt. Der Betriebstemperaturbereich reicht von -40°C bis +85°C, und es kann in Umgebungen von -55°C bis +100°C gelagert werden. Beim Lösen können die Anschlüsse 260°C für 5 Sekunden standhalten, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt.

2.2 Elektrische und optische Kennwerte

Die wesentlichen Betriebsparameter definieren die Leistung des Bauteils unter spezifischen Testbedingungen. Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO) beträgt typischerweise 30V bei 1mA Kollektorstrom ohne Beleuchtung. Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)) ist sehr niedrig und liegt zwischen 0,1V (min) und 0,4V (max), wenn das Bauteil mit 100μA Kollektorstrom unter einer Bestrahlungsstärke von 1 mW/cm² betrieben wird. Diese niedrige Sättigungsspannung ist für Schaltanwendungen wünschenswert. Die Schaltgeschwindigkeit wird durch die Anstiegszeit (T_r) und die Abfallzeit (T_f) charakterisiert, die unter den Testbedingungen V_CC=5V, I_C=1mA und R_L=1kΩ mit 10 μs bzw. 15 μs spezifiziert sind. Der Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO), der der Leckstrom ohne Licht ist, hat einen Maximalwert von 100 nA bei V_CE=10V.

2.3 Kollektorstrom im leitenden Zustand und Binning

Ein kritischer Parameter ist der Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON)), der den Stromausgang bei Beleuchtung des Bauteils darstellt. Dieser Parameter wird gebinnt, was bedeutet, dass die Bauteile in Leistungsgruppen sortiert werden. Die Testbedingung ist V_CE= 5V mit einer Bestrahlungsstärke von 1 mW/cm² bei einer Wellenlänge von 940nm. Die Bins sind wie folgt: Bin C: 0,8 bis 2,4 mA; Bin D: 1,6 bis 4,8 mA; Bin E: 3,2 bis 9,6 mA; Bin F: 6,4 mA (Minimum). Dieses Binning ermöglicht es Entwicklern, ein Bauteil mit einem für ihre spezifische Anwendung geeigneten Empfindlichkeitsbereich auszuwählen und so eine konsistente Systemleistung sicherzustellen.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die veranschaulichen, wie sich wesentliche Parameter mit Umgebungs- und Betriebsfaktoren ändern. Diese Diagramme sind unerlässlich, um das Verhalten des Bauteils über die in den Tabellen angegebenen Ein-Punkt-Spezifikationen hinaus zu verstehen.

3.1 Temperaturabhängigkeit

Abbildung 1 zeigt die Beziehung zwischen Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO) und Umgebungstemperatur (T_a). Der Dunkelstrom steigt exponentiell mit der Temperatur an, was eine grundlegende Eigenschaft von Halbleiterübergängen ist. Entwickler müssen diesen erhöhten Leckstrom in Hochtemperaturumgebungen berücksichtigen, da er den Signalpegel im ausgeschalteten Zustand und das Rauschgrundniveau beeinflussen kann. Abbildung 2 zeigt die Reduzierung der maximal zulässigen Kollektor-Verlustleistung (P_C) mit steigender Umgebungstemperatur. Der Nennwert von 100 mW gilt nur bei oder unter 25°C; oberhalb dieser Temperatur muss die maximale Leistung linear reduziert werden, um thermische Überlastung zu verhindern.

3.2 Dynamische und Ansprechcharakteristiken

Abbildung 3 zeigt, wie die Anstiegs- und Abfallzeiten (T_r, T_f) vom Lastwiderstand (R_L) beeinflusst werden. Die Schaltzeiten nehmen mit größeren Lastwiderständen zu. Dies ist eine entscheidende Überlegung beim Entwurf von Hochgeschwindigkeits-Detektionsschaltungen, bei denen ein kleinerer Lastwiderstand erforderlich sein kann, um die gewünschte Bandbreite zu erreichen, allerdings auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs. Abbildung 4 zeigt den relativen Kollektorstrom als Funktion der Bestrahlungsstärke (E_e). Die Beziehung ist im Arbeitsbereich im Allgemeinen linear, was bestätigt, dass der Ausgangsstrom direkt proportional zur einfallenden Lichtleistung ist – ideal für analoge Erfassungsanwendungen.

3.3 Spektrale Empfindlichkeit

Die Abbildungen 5 und 6 betreffen die spektrale Empfindlichkeit des Bauteils. Abbildung 5 ist ein Polardiagramm, das die Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit zeigt und angibt, wie sich die Ausgabe mit dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur Achse des Bauteils ändert. Dies ist wichtig für die Ausrichtung in optischen Systemen. Abbildung 6, die Kurve der spektralen Verteilung, zeigt, dass der LTR-3208 am empfindlichsten auf Infrarotlicht reagiert, wobei die maximale Empfindlichkeit bei einer bestimmten Wellenlänge auftritt (implizit im nahen Infrarotbereich, typisch für Silizium-Fototransistoren). Die Reaktion auf sichtbares Licht ist vernachlässigbar, was ihn in vielen Fällen unempfindlich gegenüber Umgebungsbeleuchtung macht.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der LTR-3208 verwendet ein Standard-Kunststoffgehäuse mit drei Anschlüssen. Das Gehäuse enthält oben eine geformte Linse, um einfallendes Licht auf den empfindlichen Halbleiterbereich zu fokussieren. Kritische Abmessungen sind die Gehäusegröße, der Anschlussabstand und der Harzüberstand unter dem Flansch, der mit maximal 1,5 mm spezifiziert ist. Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse den Gehäusekörper verlassen. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,25 mm angegeben, sofern nicht anders angegeben. Die physikalische Kontur und die Abmessungen sind für das PCB-Footprint-Design und die Gewährleistung eines korrekten Sitzes in der Baugruppe unerlässlich.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Pinbelegung

Das Bauteil hat drei Pins: Kollektor, Emitter und Basis (oft unverbunden oder in einigen Konfigurationen zur Vorspannung verwendet). Die typische Pinbelegung für einen Fototransistor in diesem Gehäuse ist: Betrachtet man das Bauteil von oben (Linsenseite) mit der flachen Seite oder der Kerbe in einer bestimmten Richtung, sind die Pins von links nach rechts normalerweise Emitter, Kollektor und Basis. Entwickler müssen jedoch stets die Pinbelegung aus der mechanischen Zeichnung im Datenblatt überprüfen, um Verbindungsfehler zu vermeiden. Das Gehäuse kann auch eine Markierung oder Einbuchtung zur Identifizierung von Pin 1 aufweisen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Parameter für Reflow-Löten

Während in diesem Auszug keine spezifischen Details zum Reflow-Profil angegeben sind, geben die absoluten Maximalwerte eine kritische Einschränkung an: Die Anschlüsse können eine Löttemperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden standhalten, gemessen 1,6 mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies impliziert, dass Standard-bleifreie Reflow-Profile (die oft einen Peak bei etwa 245-260°C haben) akzeptabel sind, aber die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur muss kontrolliert werden, um Gehäuseschäden zu verhindern. Es wird empfohlen, die JEDEC- oder IPC-Standards für das Löten von kunststoffgekapselten Bauteilen zu befolgen.

5.2 Handhabungs- und Lagerungsvorsichtsmaßnahmen

Das Bauteil sollte unter Beachtung der Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) gehandhabt werden, da der Halbleiterübergang durch statische Elektrizität beschädigt werden kann. Die Lagerung sollte innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -55°C bis +100°C in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit erfolgen. Die Linse sollte während der Montage sauber und frei von Kratzern, Verunreinigungen oder Epoxidharz-Austritt gehalten werden, da diese die optische Leistung und Empfindlichkeit erheblich beeinträchtigen können.

6. Anwendungsvorschläge

6.1 Typische Anwendungsschaltungen

Die gebräuchlichste Schaltungskonfiguration ist der \"Schaltmodus\". Der Kollektor des Fototransistors wird über einen Pull-up-Widerstand (R_CC) mit einer positiven Versorgungsspannung (V_L) verbunden. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal wird vom Kollektorknoten abgenommen. Wenn kein Licht vorhanden ist, ist das Bauteil ausgeschaltet, und der Ausgang wird auf V_CC hochgezogen. Wenn ausreichend Infrarotlicht auf das Bauteil trifft, schaltet es ein und zieht die Ausgangsspannung auf V_CE(SAT) herunter. Der Wert von R_L bestimmt den Ausgangshub, den Stromverbrauch und die Schaltgeschwindigkeit, wie in den Kennlinien gezeigt.

6.2 Designüberlegungen

Wesentliche Designfaktoren sind:Vorspannung:Stellen Sie sicher, dass die Betriebs-V_CE innerhalb des Maximalwerts (30V) liegt.Auswahl des Lastwiderstands:Wählen Sie R_L basierend auf der erforderlichen Schaltgeschwindigkeit (siehe Abb. 3), dem Ausgangsspannungshub und dem Stromverbrauch. Ein kleinerer R_L ergibt eine höhere Geschwindigkeit, aber einen höheren Strom.Optische Ausrichtung:Berücksichtigen Sie das Diagramm der Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit (Abb. 5) beim Entwurf des optischen Pfads zwischen IR-Emitter und -Detektor.Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Obwohl das Bauteil primär auf IR empfindlich ist, können starke Umgebungs-IR-Quellen (wie Sonnenlicht oder Glühlampen) zu Fehlauslösungen führen. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals und synchrone Detektion können die Störfestigkeit erheblich verbessern.Temperatureffekte:Berücksichtigen Sie den Anstieg des Dunkelstroms mit der Temperatur, was möglicherweise eine Schwellenwertanpassung in der Detektionsschaltung erfordert.

7. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu einer einfachen Fotodiode bietet ein Fototransistor eine interne Verstärkung, was zu einem viel größeren Ausgangsstrom bei gleichem Lichteinfall führt und oft eine zusätzliche Verstärkerstufe überflüssig macht. Im Vergleich zu anderen Fototransistoren liegt die Differenzierung des LTR-3208 in seiner spezifischen Kombination aus Gehäuse (mit integrierter Linse für höhere Empfindlichkeit), seinen definierten Strom-Bins, die eine Empfindlichkeitsauswahl ermöglichen, und seinen ausgewogenen elektrischen Nennwerten (30V V_CEO, 100mW P_D). Das niedrige V_CE(SAT) ist ebenfalls ein vorteilhaftes Merkmal für sauberes digitales Schalten.

8. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was ist der Zweck der verschiedenen Bins (C, D, E, F) für I_C(ON)?

A: Das Binning sortiert Bauteile nach ihrer Empfindlichkeit. Bauteile der Bin F haben den höchsten minimalen Ausgangsstrom (am empfindlichsten), während Bauteile der Bin C den niedrigsten haben. Dies ermöglicht es Ihnen, ein Teil auszuwählen, das dem erforderlichen Signalpegel Ihres Systems entspricht, wodurch Konsistenz sichergestellt und das Schaltungsdesign durch Bereitstellung eines vorhersehbaren Signalbereichs möglicherweise vereinfacht wird.

F: Kann ich diesen Sensor im Sonnenlicht verwenden?

A: Direktes Sonnenlicht enthält eine erhebliche Menge an Infrarotstrahlung und wird den Sensor wahrscheinlich sättigen, was zu einem konstanten \"Ein\"-Zustand führt. Für den Einsatz im Freien oder in hell erleuchteten Umgebungen werden dringend optische Filterung (ein IR-Passfilter, der sichtbares Licht blockiert) und/oder Signalmodulationstechniken empfohlen, um das beabsichtigte IR-Signal von Umgebungs-IR-Rauschen zu unterscheiden.

F: Wie interpretiere ich die Anstiegs- und Abfallzeiten?

A: Diese geben die Geschwindigkeit an, mit der der Ausgang seinen Zustand ändern kann. Eine Anstiegszeit von 10μs bedeutet, dass es etwa 10 Mikrosekunden dauert, bis der Ausgang von 10% auf 90% seines Endwerts ansteigt, wenn Licht angelegt wird. Dies begrenzt die maximale Frequenz von moduliertem Licht, die genau erfasst werden kann. Für einfache Objekterkennung ist diese Geschwindigkeit mehr als ausreichend. Für Hochgeschwindigkeitskommunikation kann sie ein limitierender Faktor sein.

9. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Papiererkennung in einem Drucker.Ein LTR-3208 (aus einem geeigneten Empfindlichkeits-Bin) und eine Infrarot-LED werden auf gegenüberliegenden Seiten des Papierwegs platziert und so ausgerichtet, dass das Papier den Strahl unterbricht. Der Fototransistor ist in einer Schaltschaltung mit einem 10kΩ Pull-up-Widerstand auf 5V konfiguriert. Wenn kein Papier vorhanden ist, trifft das IR-Licht auf den Sensor, schaltet ihn ein und zieht den Ausgangspin auf eine niedrige Spannung (~0,2V). Wenn Papier durchläuft, blockiert es das Licht, schaltet den Fototransistor aus und ermöglicht es dem Ausgangspin, auf 5V hochgezogen zu werden. Dieses digitale Signal wird einem Mikrocontroller zugeführt, um die Papierpräsenz und die Kantenerkennung zu verfolgen. Die Linse am LTR-3208 hilft, den IR-Strahl zu fokussieren, verbessert die Zuverlässigkeit und ermöglicht einen etwas größeren Abstand zwischen Emitter und Detektor.

10. Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist ein bipolarer Transistor, bei dem die Basisregion Licht ausgesetzt ist. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis-Kollektor-Sperrschicht. Diese photogenerierten Ladungsträger entsprechen einem Basisstrom. Aufgrund der Stromverstärkung des Transistors (Beta oder h_FE) wird dieser kleine Photostrom vervielfacht, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt. Das Bauteil kombiniert im Wesentlichen die Lichtdetektion einer Fotodiode mit der Stromverstärkung eines Transistors in einem einzigen Gehäuse. Die integrierte Linse dient dazu, mehr Licht auf den aktiven Halbleiterbereich zu konzentrieren, wodurch der effektive \"Basisstrom\" und somit das Ausgangssignal erhöht werden.

11. Technologietrends

Der allgemeine Trend bei diskreten optoelektronischen Bauteilen wie Fototransistoren geht in Richtung Miniaturisierung, höherer Integration und verbesserter Leistung. Dazu gehört die Entwicklung von Oberflächenmontagegehäusen mit kleineren Abmessungen und niedrigerer Bauhöhe, um den Anforderungen moderner, dichter PCB-Designs gerecht zu werden. Es gibt auch eine Bewegung hin zu Bauteilen mit besser definierten und konsistenteren Leistungsparametern, was den Kalibrierungsbedarf in Endanwendungen reduziert. In einigen fortschrittlichen Anwendungen werden Fototransistoren mit On-Chip-Verstärkungs- und Signalaufbereitungsschaltungen integriert, um vollständigere \"Sensor-in-a-Package\"-Lösungen zu schaffen, obwohl diskrete Bauteile wie der LTR-3208 aufgrund ihrer Einfachheit, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz in einer Vielzahl von Standard-Erfassungsaufgaben nach wie vor hochrelevant bleiben.