LTR-209 Fototransistor Datenblatt - Klare Bauform - Vce 30V - Leistung 100mW - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-209 ist ein Silizium-NPN-Fototransistor, der für Infrarot-Erkennungsanwendungen konzipiert ist. Er ist in einem klaren, transparenten Kunststoffgehäuse untergebracht, das eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einfallendem Licht, insbesondere im Infrarotspektrum, ermöglicht. Das Bauteil zeichnet sich durch seinen weiten Betriebsbereich, seine Zuverlässigkeit und seine Kosteneffizienz aus, was es für verschiedene Erfassungs- und Detektionssysteme geeignet macht.

1.1 Kernvorteile

• Breiter Kollektorstrombereich:Das Bauteil unterstützt ein breites Spektrum an Kollektorstrompegeln und bietet so Flexibilität im Schaltungsdesign und bei der Empfindlichkeitsanpassung.
• Hochsensible Linse:Die integrierte Linse erhöht die Empfindlichkeit des Bauteils gegenüber einfallender Infrarotstrahlung und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
• Kostengünstiges Kunststoffgehäuse:Verwendet eine wirtschaftliche Kunststoffverkapselung, um die Gesamtsystemkosten zu senken.
• Klares transparentes Gehäuse:Das transparente Gehäuse maximiert die Lichtmenge, die den aktiven Halbleiterbereich erreicht, und optimiert so die Leistung.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Der folgende Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der für den LTR-209 Fototransistor spezifizierten wesentlichen elektrischen und optischen Parameter.

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter oder bei diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (P_D):100 mW. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C als Wärme abführen kann. Das Überschreiten dieses Limits riskiert thermisches Durchgehen und Ausfall.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die bei offener Basis (nur Fotostrom) zwischen den Kollektor- und Emitter-Anschlüssen angelegt werden kann.
• Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO):5 V. Die maximal zulässige Sperrspannung zwischen Emitter und Kollektor.
• Betriebstemperaturbereich:-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, für den das Bauteil korrekt funktionieren soll.
• Lagertemperaturbereich:-55°C bis +100°C. Der Temperaturbereich für die nicht betriebsfähige Lagerung ohne Degradation.
• Lötemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden in 1,6mm Abstand vom Gehäuse. Dies definiert das akzeptable thermische Profil für Hand- oder Wellenlötprozesse.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

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

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):30 V (Min). Gemessen bei I_C= 1mA und Null-Bestrahlungsstärke (E_e= 0 mW/cm²). Dies bestätigt den absoluten Grenzwert.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO):5 V (Min). Gemessen bei I_E= 100µA und Null-Bestrahlungsstärke.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):0,4 V (Max). Der Spannungsabfall über dem Bauteil, wenn es vollständig "eingeschaltet" (leitend) ist, gemessen bei I_C= 100µA und E_e= 1 mW/cm². Ein niedrigerer V_CE(SAT)ist für geringere Leistungsverluste wünschenswert.
• Anstiegszeit (T_r) & Abfallzeit (T_f):10 µs (Typ) bzw. 15 µs (Typ). Diese Parameter definieren die Schaltgeschwindigkeit des Fototransistors. Gemessen unter den Bedingungen V_CC=5V, I_C=1mA und R_L=1kΩ. Die Asymmetrie ist bei Fototransistoren üblich.
• Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO):100 nA (Max). Dies ist der Leckstrom, der von Kollektor zu Emitter fließt, wenn das Bauteil in völliger Dunkelheit (E_e= 0 mW/cm²) ist und V_CE= 10V anliegt. Ein niedriger Dunkelstrom ist für hochsensible Anwendungen entscheidend, um Rauschen zu minimieren.

3. Erläuterung des Binning-Systems

Der LTR-209 verwendet ein Binning-System für seinen Schlüsselparameter,den Kollektor-Einschaltstrom (I_C(ON)). Binning ist ein Qualitätskontrollprozess, bei dem Bauteile basierend auf gemessener Leistung in spezifische Gruppen oder "Bins" sortiert werden. Dies ermöglicht es Designern, ein Bauteil mit einem garantierten Leistungsbereich auszuwählen, der für ihre Anwendung geeignet ist.

3.1 Binning des Kollektor-Einschaltstroms

Der I_C(ON)wird unter standardisierten Bedingungen gemessen: V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm² und einer Infrarot-Quellenwellenlänge (λ) von 940nm. Das Bauteil wird basierend auf seinem gemessenen Strom in folgende Bins sortiert:

• BIN C:0,8 mA (Min) bis 2,4 mA (Max)
• BIN D:1,6 mA (Min) bis 4,8 mA (Max)
• BIN E:3,2 mA (Min) bis 9,6 mA (Max)
• BIN F:6,4 mA (Min) - Keine Obergrenze in diesem Datenblattauszug angegeben.

Design-Implikation:Eine für BIN C Bauteile (niedrigerer Strom) ausgelegte Schaltung funktioniert möglicherweise nicht korrekt, wenn ein BIN F Bauteil (höherer Strom) ohne Neukalibrierung verwendet wird, und umgekehrt. Die Angabe des Bin-Codes ist für eine konsistente Systemleistung entscheidend.

4. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die zeigen, wie sich Schlüsselparameter mit den Betriebsbedingungen ändern. Diese sind wesentlich, um das reale Verhalten über die Ein-Punkt-Spezifikationen hinaus zu verstehen.

4.1 Kollektor-Dunkelstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb. 1)

Dieses Diagramm zeigt, dass I_CEO(Dunkelstrom) exponentiell mit steigender Umgebungstemperatur (T_A) zunimmt. Beispielsweise kann der Dunkelstrom bei 100°C um Größenordnungen höher sein als bei 25°C. Dies ist ein grundlegendes Halbleiterverhalten aufgrund der erhöhten thermischen Erzeugung von Ladungsträgern.Design-Überlegung:In Hochtemperaturanwendungen kann der erhöhte Dunkelstrom eine bedeutende Rauschquelle werden, die schwache optische Signale möglicherweise überdeckt. Wärmemanagement oder Signalaufbereitung können erforderlich sein.

4.2 Kollektor-Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur (Abb. 2)

Diese Entlastungskurve zeigt die maximal zulässige Verlustleistung (P_C) als Funktion von T_A. Der absolute Grenzwert von 100 mW gilt nur bei oder unter 25°C. Mit steigendem T_Animmt die Fähigkeit des Bauteils, Wärme abzuführen, ab, daher muss die maximal erlaubte Leistung linear reduziert werden. Bei 85°C (der maximalen Betriebstemperatur) ist die zulässige Verlustleistung deutlich niedriger.Design-Überlegung:Schaltungen müssen so ausgelegt sein, dass die tatsächliche Verlustleistung (V_CE* I_C) den entlasteten Wert bei der höchsten erwarteten Betriebstemperatur nicht überschreitet.

4.3 Anstiegs-/Abfallzeit vs. Lastwiderstand (Abb. 3)

Diese Kurve zeigt den Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Signalaussteuerung. Sowohl die Anstiegszeit (T_r) als auch die Abfallzeit (T_f) nehmen mit größerem Lastwiderstand (R_L) zu. Ein größerer R_Lbietet eine größere Ausgangsspannungsauslenkung (ΔV = I_C* R_L), verlangsamt jedoch die Ansprechzeit der Schaltung, weil die Sperrschichtkapazität des Transistors länger braucht, um sich über den größeren Widerstand auf-/entzuladen.Design-Überlegung:Der Wert von R_Lmuss basierend darauf gewählt werden, ob die Anwendung hohe Geschwindigkeit (niedriger R_L) oder hohe Ausgangsspannungsverstärkung (höherer R_L) priorisiert.

4.4 Relativer Kollektorstrom vs. Bestrahlungsstärke (Abb. 4)

Dieses Diagramm stellt den normierten Kollektorstrom gegen die einfallende optische Leistungsdichte (Bestrahlungsstärke, E_e) dar. Es zeigt einen linearen Zusammenhang im dargestellten Bereich (0 bis ~5 mW/cm²). Diese Linearität ist ein Schlüsselmerkmal von Fototransistoren in analogen Erfassungsanwendungen, da der Ausgangsstrom direkt proportional zur Eingangslichtintensität ist. Die Kurve ist für V_CE= 5V dargestellt.

4.5 Empfindlichkeitsdiagramm (Abb. 5)

Während die genauen Achsen abgekürzt sind, zeigt ein "Empfindlichkeitsdiagramm" typischerweise die spektrale Empfindlichkeit des Detektors. Silizium-Fototransistoren wie der LTR-209 sind im nahen Infrarotbereich am empfindlichsten, mit einem Maximum bei etwa 800-950 nm. Dies macht sie ideal für den Einsatz mit gängigen Infrarot-Emittern (wie LEDs mit λ=940nm, wie in der Binning-Testbedingung referenziert) und zum Ausfiltern von sichtbarem Licht.

5. Mechanische & Verpackungsinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein Standard-Durchsteck-Kunststoffgehäuse. Wichtige dimensionale Hinweise aus dem Datenblatt sind:

• Alle Abmessungen sind in Millimetern (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 das Gehäuse verlassen, was für das PCB-Footprint-Design entscheidend ist.

Polaritätskennzeichnung:Der längere Anschluss ist typischerweise der Kollektor, der kürzere der Emitter. Die flache Seite am Gehäuserand kann ebenfalls die Emitterseite anzeigen. Immer mit dem Gehäusediagramm verifizieren.

6. Löt- & Montagerichtlinien

Die primäre Anleitung betrifft Hand- oder Wellenlöten: Die Anschlüsse können einer Temperatur von 260°C für maximal 5 Sekunden ausgesetzt werden, gemessen in 1,6mm (.063") Abstand vom Gehäuse. Dies verhindert thermische Schäden am internen Halbleiterchip und am Kunststoffgehäuse.

Für Reflow-Löten:Obwohl in diesem Datenblatt nicht explizit angegeben, erfordern ähnliche Kunststoffgehäuse typischerweise ein Profil, das mit JEDEC-Standards (z.B. J-STD-020) konform ist, mit einer Spitzentemperatur, die normalerweise 260°C nicht überschreitet. Die spezifische Feuchtesensitivitätsstufe (MSL) und Backanforderungen sind hier nicht angegeben und sollten beim Hersteller bestätigt werden.

Lagerbedingungen:Das Bauteil sollte innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -55°C bis +100°C in einer trockenen, nicht korrosiven Umgebung gelagert werden. Für die Langzeitlagerung werden antistatische Vorkehrungen empfohlen.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Objekterkennung & Annäherungssensorik:In Verbindung mit einer IR-LED zur Erkennung von Anwesenheit, Abwesenheit oder Nähe eines Objekts (z.B. in Verkaufsautomaten, Druckern, Industrieautomation).
• Schlitzsensoren & Encoder:Erkennen von Unterbrechungen eines IR-Strahls zum Zählen von Objekten oder Messen der Drehzahl.
• Fernbedienungsempfänger:Obwohl langsamer als spezielle Fotodioden, können sie in einfachen, kostengünstigen IR-Empfängerschaltungen verwendet werden.
• Lichtschranken & Sicherheitssysteme:Erzeugen eines unsichtbaren Strahls für Einbruchserkennung.

7.2 Designüberlegungen & Schaltungskonfiguration

Die gebräuchlichste Schaltungskonfiguration ist derEmitter-Schaltung. Der Fototransistor ist mit dem Kollektor über einen Lastwiderstand (R_CC) an eine positive Versorgung (V_L) angeschlossen, und der Emitter ist mit Masse verbunden. Einfallendes Licht verursacht einen Fotostrom (I_C), der fließt und eine Ausgangsspannung (V_OUT) am Kollektorknoten erzeugt: V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). Im Dunkeln ist V_OUThoch (~V_CC). Bei Beleuchtung sinkt V_OUT drops.

Wesentliche Designschritte:

1. Wählen Sie R_L:basierend auf der erforderlichen Aussteuerung (V_CC/I_C(ON)) und der gewünschten Geschwindigkeit (siehe Abb. 3). Werte zwischen 1kΩ und 10kΩ sind üblich.
2. Bandbreite berücksichtigen:Der R_L-Wert bildet zusammen mit der Sperrschichtkapazität des Bauteils einen Tiefpassfilter. Für gepulsten Betrieb muss die RC-Zeitkonstante der Schaltung deutlich kürzer als die Pulsbreite sein.
3. Umgebungslicht managen:Verwenden Sie optische Filterung (einen dunklen oder IR-Durchlassfilter über dem Sensor), um unerwünschtes sichtbares Licht zu blockieren und Rauschen zu reduzieren.
4. Temperaturkompensation:Für präzise analoge Erfassung die Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms (Abb. 1) berücksichtigen. Techniken umfassen die Verwendung eines abgeglichenen Dunkelreferenzsensors in einer Differenzialschaltung oder die Implementierung von Softwarekompensation.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Im Vergleich zu anderen optischen Detektoren:

• vs. Fotodiode:Ein Fototransistor bietet inhärente Stromverstärkung (β oder h_FE), was zu einem viel höheren Ausgangsstrom bei gleicher Lichtstärke führt. Dies vereinfacht das Schaltungsdesign, da weniger nachfolgende Verstärkung benötigt wird. Fototransistoren sind jedoch im Allgemeinen langsamer (längere Anstiegs-/Abfallzeiten) und haben einen eingeschränkteren linearen Bereich als Fotodioden.
• vs. Photodarlington:Ein Photodarlington bietet eine noch höhere Verstärkung als ein Standard-Fototransistor, hat aber deutlich langsamere Ansprechzeiten und eine höhere Sättigungsspannung (V_CE(SAT)). Der LTR-209 bietet eine gute Balance aus Verstärkung, Geschwindigkeit und Spannungsabfall.
• Differenzierungsmerkmal des LTR-209:Seinklares Gehäuseund seineintegrierte Linsesind entscheidende Unterscheidungsmerkmale. Viele konkurrierende Fototransistoren verwenden schwarze Epoxidgehäuse, die Licht dämpfen. Das klare Gehäuse des LTR-209 maximiert die Empfindlichkeit, während die Linse hilft, einfallendes Licht auf den aktiven Bereich zu fokussieren, was die Richtwirkung und Signalstärke verbessert.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was bedeutet der "BIN"-Code und warum ist er wichtig?

Der BIN-Code (C, D, E, F) kategorisiert das Bauteil basierend auf seinem gemessenen Kollektor-Einschaltstrom (I_C(ON)). Er ist entscheidend, weil er einen spezifischen Leistungsbereich garantiert. Die Verwendung eines Bauteils aus dem falschen Bin könnte dazu führen, dass Ihre Schaltung unter- oder überempfindlich ist und fehlerhaft arbeitet. Geben Sie beim Bestellen immer das erforderliche Bin an.

9.2 Kann ich diesen Sensor mit einer sichtbaren Lichtquelle verwenden?

Während das Siliziummaterial auf sichtbares Licht reagiert, liegt seine Spitzenempfindlichkeit im nahen Infrarot (siehe implizite Abb. 5). Für optimale Leistung und um Störungen durch Umgebungslicht zu vermeiden, wird dringend empfohlen, ihn mit einem Infrarot-Emitter (typischerweise 850nm, 880nm oder 940nm) zu kombinieren und einen IR-Durchlassfilter auf dem Detektor zu verwenden.

9.3 Wie wandle ich das Ausgangssignal in ein digitales Signal um?

Die einfachste Methode ist, den Ausgang (Kollektor-Knoten) mit dem Eingang eines Schmitt-Trigger-Inverters oder eines Komparators mit Hysterese zu verbinden. Dies wandelt die analoge Spannungsauslenkung in ein sauberes digitales Signal um, das unempfindlich gegenüber Rauschen ist. Die Schwelle des Komparators sollte zwischen den "Hell"- und "Dunkel"-Ausgangsspannungspegeln liegen.

9.4 Warum ist mein Ausgangssignal in einer hellen, heißen Umgebung instabil?

Dies liegt wahrscheinlich an den kombinierten Effekten von hohem Dunkelstrom (steigend mit der Temperatur gemäß Abb. 1) und der Reaktion auf Umgebungslicht. Lösungen umfassen: 1) Hinzufügen einer physischen Abschirmung oder Röhre, um das Sichtfeld zu begrenzen, 2) Verwendung einer modulierten IR-Quelle und synchroner Detektion, 3) Implementierung einer temperaturstabilen Vorspannungs- oder Kompensationsschaltung.

10. Praktische Design-Fallstudie

Szenario:Entwurf eines Papiererkennungssensors für einen Drucker.

Umsetzung:Eine IR-LED und der LTR-209 werden auf gegenüberliegenden Seiten des Papierwegs platziert und ausgerichtet, um einen Strahl zu erzeugen. Wenn Papier vorhanden ist, blockiert es den Strahl. Der Fototransistor ist in Emitterschaltung mit R_L= 4,7kΩ und V_CC= 5V konfiguriert.

Bauteilauswahl & Berechnungen:Wählen Sie ein Bauteil aus BIN D (I_C(ON)= 1,6-4,8mA). Ohne Papier (Strahl intakt) nehmen wir I_C= 3mA (typisch) an. V_OUT= 5V - (3mA * 4,7kΩ) = 5V - 14,1V = -9,1V. Dies ist unmöglich, was bedeutet, dass der Transistor in Sättigung ist. In Sättigung ist V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0,4V (ein LOW-Signal). Wenn Papier den Strahl blockiert, ist I_C≈ I_CEO(sehr klein, ~nA), also V_OUT≈ 5V (ein HIGH-Signal). Ein Mikrocontroller-GPIO-Pin kann dieses HIGH/LOW-Signal direkt auslesen, um Papierpräsenz zu erkennen. Ein Entkopplungskondensator (z.B. 100nF) über den Versorgungsanschlüssen des Sensors wird empfohlen, um Rauschen zu filtern.

11. Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist ein bipolarer Transistor (BJT), bei dem die Basisregion Licht ausgesetzt ist. Einfallende Photonen mit ausreichender Energie erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis-Kollektor-Sperrschicht. Diese photogenerierten Ladungsträger werden durch das interne elektrische Feld abgesaugt und wirken effektiv als Basisstrom. Dieser "optische Basisstrom" wird dann durch die Stromverstärkung (h_FE) des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt. Die Größe dieses Kollektorstroms ist proportional zur Intensität des einfallenden Lichts und ermöglicht so die Erfassungsfunktion. Das klare Gehäuse und die Linse des LTR-209 maximieren die Anzahl der Photonen, die die empfindliche Halbleitersperrschicht erreichen.

12. Technologietrends

Fototransistoren wie der LTR-209 repräsentieren eine ausgereifte und kosteneffektive Technologie. Aktuelle Trends in der Optoelektronik umfassen:

• Integration:Bewegung hin zu integrierten Lösungen, die den Fotodetektor, Verstärker und digitale Logik (z.B. Foto-Unterbrecher mit eingebauter Logikausgabe) auf einem einzigen Chip kombinieren, was die Anzahl externer Bauteile reduziert und die Störfestigkeit verbessert.
• Oberflächenmontage-Bauteile (SMD):Während Durchsteckgehäuse für Prototyping und bestimmte Anwendungen beliebt bleiben, gibt es eine starke Branchentendenz hin zu kleineren SMD-Gehäusen (z.B. SMT-3) für automatisierte Montage und platzbeschränkte Designs.
• Verbesserte Leistung:Entwicklung von Bauteilen mit schnelleren Ansprechzeiten, niedrigeren Dunkelströmen und verbesserter Temperaturstabilität für anspruchsvollere Anwendungen in Automobil-, Industrie- und Unterhaltungselektronik.
• Anwendungsspezifische Optimierung:Sensoren werden für spezifische Wellenlängen (z.B. für Herzfrequenzmessung bei bestimmten IR-Wellenlängen) oder mit eingebauten Tageslichtfiltern maßgeschneidert.

Das grundlegende Funktionsprinzip des Fototransistors bleibt gültig, und Bauteile wie der LTR-209 sind aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und niedrigen Kosten weiterhin eine zuverlässige Wahl für eine Vielzahl von grundlegenden bis mittleren Erfassungsanforderungen.