LTR-1650D Fototransistor Datenblatt - Gehäuseabmessungen 5,0x4,0x3,2mm - Spannung 30V - Leistung 100mW - Dunkeltransparentes Gehäuse - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-1650D ist ein Silizium-NPN-Fototransistor für Infrarot-Erkennungsanwendungen. Er ist in einem kostengünstigen, dunkeltransparenten Kunststoffgehäuse untergebracht, das eine effektive Filterung von sichtbarem Licht ermöglicht, während Infrarotwellenlängen, hauptsächlich um 940nm, durchgelassen werden. Die integrierte Linse erhöht die Empfindlichkeit des Bauteils, indem sie einfallende Infrarotstrahlung auf den aktiven Bereich des Transistors fokussiert. Diese Komponente ist für Zuverlässigkeit und Leistung über einen breiten Betriebstemperaturbereich ausgelegt und eignet sich für verschiedene Erfassungs- und Steuerungssysteme.

2. Hauptmerkmale und Kernvorteile

• Breiter Kollektorstrombereich:Das Bauteil bietet mehrere Leistungsklassen (A bis F) mit einer großen Auswahl an Kollektorströmen im leitenden Zustand (IC(ON)) von mindestens 0,2mA bis über 9,6mA, sodass Entwickler ein Teil entsprechend spezifischer Empfindlichkeitsanforderungen auswählen können.
• Hochempfindliche Linse:Die integrierte Epoxidlinse vergrößert die effektive Sammelfläche für Infrarotlicht, verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und die Gesamtresponsivität.
• Kostengünstiges Kunststoffgehäuse:Verwendet ein standardmäßiges, wirtschaftliches Kunststoffgehäuse für die Massenproduktion und breite Marktakzeptanz.
• Spezielles dunkeltransparentes Gehäuse:Das Gehäusematerial ist getönt, um sichtbares Licht zu dämpfen, Störungen durch Umgebungslichtquellen zu reduzieren und die Leistung in Umgebungen mit schwankenden Lichtverhältnissen zu verbessern.

3. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

3.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Verlustleistung (P_D):100 mW bei T_A=25°C. Dies ist die maximale Leistung, die das Bauteil sicher als Wärme abführen kann.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Die maximale Spannung, die zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen bei offener Basis angelegt werden kann.
• Emitter-Kollektor-Spannung (V_ECO):5 V. Die maximale Sperrspannung, die zwischen Emitter und Kollektor angelegt werden kann.
• Betriebstemperaturbereich (T_opr):-40°C bis +85°C. Der Umgebungstemperaturbereich, für den der Betrieb des Bauteils spezifiziert ist.
• Lagertemperaturbereich (T_stg):-55°C bis +100°C.
• Löttemperatur der Anschlüsse:260°C für 5 Sekunden in einem Abstand von 1,6mm vom Gehäuse. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse.

3.2 Elektrische & Optische Kennwerte (T_A=25°C)

Die folgenden Parameter werden unter spezifischen Bedingungen getestet und definieren die Leistung des Bauteils.

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):30 V (Min). Getestet bei I_C= 1mA ohne Bestrahlung (E_e= 0 mW/cm²).
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO):5 V (Min). Getestet bei I_E= 100µA ohne Bestrahlung.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):0,4 V (Max). Der Spannungsabfall über dem Transistor, wenn er vollständig "eingeschaltet" ist, getestet bei I_C= 100µA und E_e= 1 mW/cm². Ein niedriger V_CE(SAT)ist für effizientes Schalten wünschenswert.
• Anstiegszeit (T_r) & Abfallzeit (T_f):10 µs (Typ). Diese Schaltgeschwindigkeitsparameter werden mit V_CC=5V, I_C=1mA und R_L=1kΩ gemessen. Sie bestimmen, wie schnell der Fototransistor auf Änderungen der Lichtintensität reagieren kann.
• Kollektordunkelstrom (I_CEO):100 nA (Max). Dies ist der Leckstrom, der durch den Kollektor fließt, wenn das Bauteil in völliger Dunkelheit (E_e= 0 mW/cm²) bei V_CE= 10V ist. Ein niedriger Dunkelstrom ist für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei der Schwachlichterkennung unerlässlich.

3.3 Binning-System für den Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON))

Der LTR-1650D wird basierend auf seiner Empfindlichkeit in verschiedene Klassen eingeteilt, definiert durch den Kollektorstrom im leitenden Zustand unter standardisierten Bedingungen (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm). Dies ermöglicht eine präzise Auswahl basierend auf den Anwendungsverstärkungsanforderungen.

• Klasse A:0,2 - 0,6 mA
• Klasse B:0,4 - 1,2 mA
• Klasse C:0,8 - 2,4 mA
• Klasse D:1,6 - 4,8 mA
• Klasse E:3,2 - 9,6 mA
• Klasse F:6,4 mA (Min)

Entwickler sollten beim Bestellen den spezifischen Bincode konsultieren, um sicherzustellen, dass der Fototransistor die Empfindlichkeits- und Ausgangsstromanforderungen der Schaltung erfüllt.

4. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere charakteristische Kurven, die zeigen, wie sich Schlüsselparameter mit Umwelt- und elektrischen Bedingungen ändern.

4.1 Kollektordunkelstrom vs. Umgebungstemperatur (Abb. 1)

Diese Kurve zeigt, dass der Kollektordunkelstrom (I_CEO) exponentiell mit steigender Umgebungstemperatur zunimmt. Dies ist ein grundlegendes Halbleiterverhalten, bei dem thermisch erzeugte Ladungsträger häufiger werden. In Hochtemperaturanwendungen kann dieser erhöhte Leckstrom eine bedeutende Rauschquelle werden und muss beim Design der Schwellwertschaltung des Erfassungsverstärkers berücksichtigt werden.

4.2 Kollektorverlustleistung vs. Umgebungstemperatur (Abb. 2)

Das Diagramm zeigt die Reduzierung der maximal zulässigen Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur. Bei 25°C kann das Bauteil 100mW verarbeiten. Mit steigender Temperatur nimmt dieser Wert linear ab. Für einen zuverlässigen Betrieb über 25°C muss die tatsächliche Verlustleistung (V_CE* I_C) unterhalb der reduzierten Kurve gehalten werden. Dies ist entscheidend, um thermisches Durchgehen zu verhindern und die Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen.

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

Diese Kurve zeigt den Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Lastwiderstand (R_L). Anstiegs- und Abfallzeiten nehmen mit größeren Lastwiderständen zu. Dies liegt daran, dass ein größerer R_Leine größere RC-Zeitkonstante mit der Sperrschichtkapazität des Fototransistors erzeugt. Für Anwendungen, die eine schnelle Impulserkennung erfordern, sollte ein kleinerer Lastwiderstand verwendet werden, allerdings auf Kosten einer reduzierten Ausgangsspannungsamplitude.

4.4 Relativer Kollektorstrom vs. Bestrahlungsstärke (Abb. 4)

Diese Darstellung zeigt die Beziehung zwischen einfallender Infrarot-Bestrahlungsstärke (E_e) und dem resultierenden Kollektorstrom. Die Antwort ist über einen bestimmten Bereich im Allgemeinen linear, was ideal für analoge Lichtsensoranwendungen ist. Die Steigung dieser Linie repräsentiert die Responsivität des Bauteils. Das Verständnis dieser Charakteristik ist entscheidend für die Kalibrierung der Sensorausgabe auf ein bestimmtes Lichtintensitätsniveau.

4.5 Empfindlichkeitsdiagramm (Abb. 5)

Dieses Polardiagramm veranschaulicht die Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit des Fototransistors. Die Empfindlichkeit ist typischerweise am höchsten, wenn Infrarotlicht senkrecht auf die Linse einfällt (0°). Sie nimmt mit zunehmendem Einfallswinkel ab. Diese Eigenschaft ist entscheidend für das Design des optischen Pfads in einer Anwendung, z. B. um eine korrekte Ausrichtung in einem schlitzförmigen Unterbrecher sicherzustellen oder das Sichtfeld für einen Näherungssensor zu definieren.

5. Mechanische und Gehäuseinformationen

5.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil verwendet ein standardmäßiges 3mm (T-1) Radialgehäuse mit Anschlussdrähten. Wichtige Abmessungen sind:

• Gehäusedurchmesser: ca. 5,0mm.
• Gehäusehöhe: ca. 3,2mm (ohne Anschlüsse).
• Anschlussabstand: Gemessen an der Stelle, an der die Anschlüsse aus dem Gehäuse austreten, typischerweise 2,54mm (0,1").
• Ein maximaler Harzüberstand von 1,5mm unter dem Flansch ist zulässig.

Hinweis:Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer Standardtoleranz von ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben. Entwickler müssen sich für die genaue Bestückungsfläche und Platzierungsplanung auf die detaillierte mechanische Zeichnung beziehen.

5.2 Polaritätskennzeichnung

Der Fototransistor hat zwei Anschlüsse: den Kollektor und den Emitter. Der längere Anschluss ist typischerweise der Kollektor. Das Gehäuse kann auch eine flache Seite oder andere Markierungen in der Nähe des Kollektoranschlusses aufweisen. Die korrekte Polarität ist für den ordnungsgemäßen Schaltungsbetrieb und das Anlegen der richtigen Vorspannung unerlässlich.

6. Löt- und Montagerichtlinien

• Handlöten:Verwenden Sie eine temperaturgeregelte Lötspitze. Begrenzen Sie die Lötzeit, um eine übermäßige Wärmeübertragung auf den Halbleiterchip zu verhindern.
• Wellen-/Reflow-Löten:Halten Sie sich strikt an den Maximalwert: 260°C für 5 Sekunden, gemessen 1,6mm vom Gehäuse entfernt. Eine Überschreitung kann die internen Bonddrähte oder das Epoxidgehäuse beschädigen.
• Reinigung:Verwenden Sie geeignete Lösungsmittel, die mit dem dunkeltransparenten Epoxidharz kompatibel sind. Vermeiden Sie Ultraschallreinigung, sofern nicht als sicher für das Gehäuse verifiziert.
• Lagerung:Lagern Sie in einer trockenen, antistatischen Umgebung innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -55°C bis +100°C, um Feuchtigkeitsaufnahme (die während des Reflow-Lötens zu "Popcorning" führen kann) und elektrostatische Entladungsschäden zu verhindern.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Objekterkennung & Unterbrechung:Verwendung in schlitzförmigen optischen Schaltern (z. B. Papiererkennung in Druckern, Endanschlagserkennung in 3D-Druckern).
• Näherungserkennung:Gepaart mit einer Infrarot-LED zur berührungslosen Erkennung von Objekten.
• Encoder:Erkennung von Mustern auf rotierenden Scheiben für Geschwindigkeits- oder Positionsmessung.
• Industrielle Steuerung:Erfassung in automatisierten Geräten, bei denen Immunität gegen Umgebungslicht erforderlich ist.
• Unterhaltungselektronik:IR-Fernbedienungsempfänger (obwohl oft mit dedizierten ICs verwendet, kann ein Fototransistor die Frontend-Stufe bilden).

7.2 Kritische Designaspekte

• Vorspannungsschaltung:Der Fototransistor kann entweder in einer Schalter- (Emitter-Schaltung) oder Follower-Konfiguration (Emitterfolger) verwendet werden. Die Emitterschaltung bietet Spannungsverstärkung und ist üblich für digitales Schalten. Ein Pull-up-Widerstand (R_L) ist erforderlich.
• Auswahl von R_L:Der Wert des Lastwiderstands beinhaltet einen Kompromiss. Ein größerer R_Lergibt eine größere Ausgangsspannungsamplitude für einen gegebenen Fotostrom, verlangsamt aber die Schaltgeschwindigkeit (siehe Abb. 3). Wählen Sie basierend auf der erforderlichen Geschwindigkeit und dem Signalpegel.
• Unterdrückung von Umgebungslicht:Obwohl das dunkle Gehäuse hilft, können starke Umgebungs-IR-Quellen (Sonnenlicht, Glühlampen) den Sensor sättigen. Erwägen Sie die Verwendung von optischen Filtern, die Modulation der IR-Quelle und synchrone Detektionstechniken.
• Temperaturkompensation:Für präzise analoge Erfassung muss die Variation von Dunkelstrom und Empfindlichkeit mit der Temperatur (Abb. 1 & 2) in der Signalaufbereitungsschaltung kompensiert werden.
• Elektrisches Rauschen:Der hochohmige Knoten am Kollektor kann anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI) sein. Halten Sie Leiterbahnverbindungen kurz, verwenden Sie bei Bedarf Abschirmung und ziehen Sie in Betracht, einen kleinen Kondensator (z. B. 10-100pF) parallel zu R_Lzu schalten, um hochfrequentes Rauschen zu filtern, wobei dessen Auswirkung auf die Geschwindigkeit zu beachten ist.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu einer einfachen Fotodiode bietet ein Fototransistor wie der LTR-1650D eine interne Verstärkung, die einen viel größeren Ausgangsstrom für denselben Lichteinfall erzeugt, was in einfachen Schaltanwendungen oft einen zusätzlichen externen Verstärker überflüssig macht. Im Vergleich zu einem Foto-Darlington-Transistor bietet er schnellere Ansprechzeiten (µs vs. Zehner/Hunderter µs), aber eine geringere Verstärkung. Das spezifische Binning-System für I_C(ON)ermöglicht im Vergleich zu Bauteilen mit einer einzigen, breiten Spezifikation ein engeres Systemdesign. Das dunkeltransparente Gehäuse ist ein wichtiger Unterscheidungsfaktor gegenüber klaren Gehäusen und bietet eine eingebaute Unterdrückung von sichtbarem Licht.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was bedeutet die "BIN"-Spezifikation und wie wähle ich aus?

Der BIN-Code (A bis F) spezifiziert den garantierten Bereich der Empfindlichkeit des Fototransistors (I_C(ON)). Wählen Sie eine Klasse basierend auf dem erforderlichen Ausgangsstrom für Ihre spezifische Bestrahlungsstärke. Für Anwendungen mit höherer Empfindlichkeit/niedrigerem Lichtpegel wählen Sie einen höheren Buchstaben (z. B. E oder F). Für kostenkritische Anwendungen, bei denen hohe Verstärkung nicht entscheidend ist, kann eine niedrigere Klasse (A oder B) ausreichen.

9.2 Warum ist der Dunkelstrom wichtig?

Dunkelstrom (I_CEO) ist das Ausgangssignal, das vorhanden ist, wenn kein Licht einfällt. Er setzt die untere Grenze des detektierbaren Lichts und wirkt als Rauschquelle. Bei digitalen Schaltanwendungen muss der Detektionsschwellwert der Schaltung über dem maximal erwarteten Dunkelstrom liegen, insbesondere bei hohen Temperaturen, wo er signifikant zunimmt.

9.3 Wie beeinflusst der Lastwiderstand die Leistung?

Der Lastwiderstand (R_L) beeinflusst direkt zwei Schlüsselparameter:Ausgangsspannung(V_out= I_C* R_L) undSchaltgeschwindigkeit(siehe Abb. 3). Sie müssen R_Lso wählen, dass die erforderliche Spannungsamplitude für Ihre Logikpegel oder ADC-Eingänge erreicht wird, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Anstiegs-/Abfallzeiten für die Datenrate oder Ansprechzeit Ihrer Anwendung schnell genug sind.

9.4 Kann ich diesen unter hellem Sonnenlicht verwenden?

Das dunkeltransparente Gehäuse bietet eine gewisse Unterdrückung, aber direktes Sonnenlicht enthält intensive Infrarotstrahlung, die den Sensor leicht sättigen kann. Für den Außeneinsatz sind zusätzliche Maßnahmen zwingend erforderlich: physikalische Abschattung (Hauben), schmalbandige optische Filter, die auf die Wellenlänge Ihrer IR-Quelle abgestimmt sind (z. B. 940nm), und vorzugsweise die Verwendung einer modulierten IR-Quelle mit synchroner Detektion in der Empfängerschaltung, um das Signal von der konstanten DC-Komponente des Sonnenlichts zu unterscheiden.

10. Praktische Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Entwurf eines Papiererkennungssensors für einen Drucker.

1. Auswahl:Wählen Sie eine mittlere Empfindlichkeitsklasse (z. B. Klasse C oder D), um eine zuverlässige Auslösung sicherzustellen, ohne übermäßig empfindlich auf Staub oder Reflexionen zu reagieren.
2. Schaltungskonfiguration:Verwenden Sie eine Emitterschaltung als Schalter. Kombinieren Sie den LTR-1650D mit einer Infrarot-LED (z. B. 940nm), die auf der gegenüberliegenden Seite des Papierwegs platziert ist.
3. Dimensionierung der Bauteile:Wählen Sie einen R_L-Wert (z. B. 4,7kΩ), der einen Logik-Low-Ausgang (nahe 0V) liefert, wenn Papier vorhanden ist (Licht blockiert, I_Cist niedrig) und einen Logik-High-Ausgang (nahe V_CC), wenn kein Papier vorhanden ist (Licht vorhanden, I_Cist hoch). Überprüfen Sie, ob die Spannungspegel mit den Eingangsanschlüssen des Mikrocontrollers kompatibel sind.
4. Störfestigkeit:Fügen Sie einen 10nF-Kondensator parallel zu R_Lhinzu, um elektrisches Rauschen von Druckermotoren zu unterdrücken. Die resultierende Geschwindigkeit (~100µs) ist immer noch weitaus schneller als die mechanische Papierbewegung.
5. Ausrichtung:Verwenden Sie das Empfindlichkeitsdiagramm (Abb. 5) als Leitfaden für das mechanische Design. Stellen Sie sicher, dass die IR-LED und der Fototransistor innerhalb des hochempfindlichen Kegels (z. B. ±20°) ausgerichtet sind, um die Signalstärke zu maximieren.
6. Testen:Testen Sie den Sensor unter ungünstigsten Bedingungen: hohe Temperatur (um den erhöhten Dunkelstrom zu prüfen) und mit verschiedenen Papiersorten (einige können für IR durchlässiger sein).

11. Funktionsprinzip

Ein Fototransistor ist im Wesentlichen ein Bipolartransistor (BJT), bei dem der Basisstrom durch Licht erzeugt wird und nicht elektrisch zugeführt wird. Einfallende Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters werden in der Basis-Kollektor-Sperrschichtregion absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Das elektrische Feld in der in Sperrrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Sperrschicht trennt diese Ladungsträger und erzeugt effektiv einen Fotostrom, der als Basisstrom (I_B) wirkt. Dieser photogenerierte Basisstrom wird dann durch die Stromverstärkung des Transistors (h_FE) verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt (I_C= h_FE* I_B). Diese interne Verstärkung ist der Hauptvorteil gegenüber einer einfachen Fotodiode. Das dunkeltransparente Gehäusematerial wirkt als Langpassfilter, das Infrarotwellenlängen (wie 940nm) durchlässt, während kürzere sichtbare Wellenlängen absorbiert werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis in Umgebungen mit sichtbarem Licht verbessert wird.

12. Branchentrends und Entwicklungen

Der optoelektronische Sektor entwickelt sich ständig weiter. Während diskrete Fototransistoren wie der LTR-1650D für kostensensitive, hochvolumige oder spezifische Leistungsanwendungen weiterhin wichtig bleiben, umfassen breitere Trends:

• Integration:Zunehmende Integration des Fotodetektors mit analogen Frontend-Verstärkern, Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und digitaler Logik in Ein-Chip-Lösungen (z. B. Umgebungslichtsensoren, Näherungssensormodule). Diese bieten kalibrierte digitale Ausgabe, kleineren Platzbedarf und vereinfachtes Design, können aber zu höheren Stückkosten führen.
• Miniaturisierung:Nachfrage nach kleineren Gehäusegrößen (z. B. Chip-Scale-Packages), um in immer kleiner werdende Unterhaltungselektronik zu passen.
• Verbesserte Leistung:Entwicklung von Bauteilen mit niedrigeren Dunkelströmen, schnelleren Ansprechzeiten (im Nanosekundenbereich) und höherer Empfindlichkeit für anspruchsvollere Anwendungen wie LiDAR und Hochgeschwindigkeitskommunikation.
• Spezialisierung:Sensoren, die auf bestimmte Wellenlängen zugeschnitten sind (z. B. für Herzfrequenzmessung, Gassensorik) oder mit eingebauten Spektralfiltern.

Diskrete Fototransistoren werden voraussichtlich ihre Position in Anwendungen behalten, in denen ihre Einfachheit, Robustheit, niedrige Kosten und spezifischen Leistungsmerkmale (wie das dunkle Gehäuse des LTR-1650D) eine optimale Lösung bieten.