LTR-306 Phototransistor Datenblatt - Seitenblick-Gehäuse - Kollektorstrom bis 2,4mA - Spannung 30V - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der LTR-306 ist ein Silizium-NPN-Phototransistor in einem Seitenblick-Kunststoffgehäuse. Dieses Bauteil ist für die Detektion von Infrarotstrahlung ausgelegt und wandert einfallendes Licht in einen elektrischen Strom an seinem Kollektoranschluss um. Seine Hauptfunktion ist die eines Lichtsensors in verschiedenen elektronischen Schaltungen, wo er als lichtgesteuerter Schalter oder als analoger Lichtintensitätssensor fungiert. Die Seitenblick-Bauform ist ein wesentliches Merkmal, was bedeutet, dass die sensitive Fläche senkrecht zur Richtung der Anschlussdrähte ausgerichtet ist. Dies ist optimal für Anwendungen, bei denen die Lichtquelle seitlich zur Leiterplatte positioniert ist.

Die Kernvorteile dieses Bauteils umfassen seinen weiten Arbeitsbereich des Kollektorstroms, der Designflexibilität für verschiedene Empfindlichkeitsanforderungen bietet. Die integrierte Linse ist darauf ausgelegt, die Empfindlichkeit zu erhöhen, indem sie einfallendes Infrarotlicht auf den aktiven Halbleiterbereich fokussiert. Darüber hinaus macht der Einsatz eines kostengünstigen Kunststoffgehäuses ihn zu einer wirtschaftlichen Wahl für hochvolumige Konsumgüter- und Industrieanwendungen, bei denen Kosteneffizienz entscheidend ist, ohne wesentliche Leistungsparameter zu opfern.

Der Zielmarkt für den LTR-306 umfasst ein breites Spektrum an Anwendungen, die zuverlässige Infrarotdetektion erfordern. Dazu gehören, sind aber nicht beschränkt auf, Objekterkennungs- und Zählsysteme, Schlitzsensoren (z.B. in Druckern und Automaten), Bandendsensoren, Annäherungssensoren und Industrieautomatisierungsgeräte. Sein robustes Design und spezifizierte Leistung machen ihn für die Integration in sowohl einfache als auch komplexe elektronische Systeme geeignet.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert. Die maximale Verlustleistung beträgt 100 mW bei einer Umgebungstemperatur (T_A) von 25°C. Die Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE) darf 30 V nicht überschreiten, während die Sperrspannung Emitter-Kollektor (V_EC) auf 5 V begrenzt ist. Das Bauteil ist für den Betrieb in einem Umgebungstemperaturbereich von -40°C bis +85°C ausgelegt und kann bei Temperaturen von -55°C bis +100°C gelagert werden. Beim Löten können die Anschlussdrähte 260°C für 5 Sekunden standhalten, gemessen 1,6mm vom Gehäusekörper entfernt, was eine Standardanforderung für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse ist.

2.2 Elektrische & Optische Kennwerte

Alle elektrischen und optischen Parameter sind bei T_A=25°C spezifiziert, was eine Basis für Leistungsvergleiche bietet.

• Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (V_(BR)CEO):Mindestens 30V (I_C= 1mA, E_e=0). Dies ist die Spannung, bei der der Übergang ohne Lichteinfall durchschlägt.
• Emitter-Kollektor-Durchbruchspannung (V_(BR)ECO):Mindestens 5V (I_E= 100μA, E_e=0). Dieser Parameter ist wichtig für Sperrspannungsbedingungen.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(SAT)):Typischerweise 0,1V, maximal 0,4V (I_C= 100μA, E_e=1 mW/cm²). Diese niedrige Spannung deutet auf gute Schaltleistung hin, wenn der Transistor vollständig leitend ist.
• Anstiegszeit (T_r) & Abfallzeit (T_f):Maximal jeweils 20 μs (V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ). Diese Parameter definieren die Schaltgeschwindigkeit des Phototransistors als Reaktion auf einen Lichtimpuls.
• Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA (V_CE= 10V, E_e=0). Dies ist der Leckstrom bei Abwesenheit von Licht, ein kritischer Parameter für die Schwachlichtempfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis.

3. Erklärung des Binning-Systems

Der LTR-306 verwendet ein Binning-System für seinen Schlüsselparameter, den Kollektorstrom im leitenden Zustand (I_C(ON)). Binning ist ein Qualitätskontroll- und Sortierprozess, der Bauteile basierend auf gemessener Leistung innerhalb spezifizierter Bereiche gruppiert. Dies gewährleistet Konsistenz für den Endanwender. Das Bauteil wird unter Standardbedingungen getestet (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ=940nm).

Die Bins sind von A bis F gekennzeichnet, wobei jeder einen spezifischen Bereich von I_C(ON):

• repräsentiert. Bin A:0,20 mA bis 0,60 mA
• Bin B:0,40 mA bis 1,08 mA
• Bin C:0,72 mA bis 1,56 mA
• Bin D:1,04 mA bis 1,80 mA
• Bin E:1,20 mA bis 2,40 mA
• Bin F:Mindestens 1,60 mA (keine Obergrenze in den bereitgestellten Daten angegeben)

Dieses System ermöglicht es Designern, ein Bin auszuwählen, das der erforderlichen Empfindlichkeit ihrer Schaltung entspricht. Beispielsweise könnte eine Schaltung, die einen hohen Ausgangsstrom für den direkten Antrieb eines Relais oder einer LED benötigt, Bin E oder F spezifizieren, während eine Niedrigleistungs-Erfassungsschaltung Bin A oder B verwenden könnte, um den Stromverbrauch zu minimieren.

4. Analyse der Kennlinien

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

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

Diese Kurve zeigt, dass der Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO) exponentiell mit steigender Umgebungstemperatur zunimmt. Bei -40°C liegt er im Pikoampere-Bereich, kann aber bei 120°C auf etwa 100 μA ansteigen. Diese Eigenschaft ist entscheidend für Hochtemperaturanwendungen, da der zunehmende Dunkelstrom als Offset- oder Rauschquelle wirkt und möglicherweise die effektive Empfindlichkeit und den Dynamikbereich des Sensors verringert.

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

Dieses Diagramm zeigt die Derating-Kurve der maximal zulässigen Verlustleistung mit steigender Umgebungstemperatur. Während das Bauteil bei 25°C 100 mW abführen kann, muss dieser Wert bei höheren Temperaturen linear reduziert werden, um thermisches Durchgehen zu verhindern und die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Die Kurve liefert die notwendigen Daten für das thermische Management im Anwendungsdesign.

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

Diese Darstellung zeigt den Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Lastwiderstand. Anstiegs- und Abfallzeiten (T_r, T_f) nehmen signifikant zu, wenn der Wert des Lastwiderstands (R_L) steigt. Für eine 1kΩ-Last beträgt die Zeit etwa 20μs, kann aber für eine 10kΩ-Last 150μs überschreiten. Designer müssen R_Lso wählen, dass sie den Bedarf an schneller Ansprechzeit gegen die gewünschte Ausgangsspannungsauslenkung oder den Strompegel abwägen.

4.4 Relativer Kollektorstrom vs. Bestrahlungsstärke (Abb. 4)

Dies ist eine grundlegende Übertragungskennlinie. Sie zeigt, dass der Kollektorstrom im unteren Bereich (0-2 mW/cm²) bei konstantem V_evon 5V relativ linear zur einfallenden Lichtbestrahlungsstärke (E_CE) ist. Dieser lineare Bereich ist derjenige, in dem das Bauteil für analoge Lichtmessungen verwendet werden kann. Bei höheren Bestrahlungsstärken kann die Antwort in die Sättigung gehen.

4.5 Empfindlichkeitsdiagramm (Abb. 5)

Dieses Polardiagramm veranschaulicht die Winkelabhängigkeit der Empfindlichkeit des Phototransistors. Die relative Empfindlichkeit wird über dem Einfallswinkel des Lichts aufgetragen. Es zeigt, dass das Bauteil einen spezifischen Blickwinkel hat, bei dem die Empfindlichkeit maximal ist (typischerweise auf der Achse, 0°). Die Empfindlichkeit nimmt ab, wenn sich die Lichtquelle von der Achse entfernt. Dieses Diagramm ist entscheidend für die mechanische Ausrichtung in der endgültigen Anwendung, um eine optimale Kopplung zwischen Lichtquelle und Sensor sicherzustellen.

5. Mechanische & Verpackungsinformationen

Der LTR-306 verwendet ein Kunststoff-Seitenblickgehäuse. Die Abmessungen sind im Datenblatt mit allen Maßen in Millimetern (Zoll in Klammern) angegeben. Die wichtigsten Maßtoleranzen betragen typischerweise ±0,25mm, sofern nicht anders angegeben. Der Anschlussdrahtabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Drähte aus dem Gehäusekörper austreten, was für das Leiterplatten-Footprint-Design entscheidend ist. Das Gehäuse enthält eine in den Kunststoff eingearbeitete Linse, um die optische Sammelleistung zu verbessern. Die Seitenblick-Bauform bedeutet, dass die aktive Erfassungsfläche an der Seite des Bauteils und nicht oben liegt. Eine klare Polaritätskennzeichnung (Emitter- und Kollektor-Pins) ist in der Gehäusezeichnung angegeben, was für die korrekte Leiterplattenbestückung unerlässlich ist.

6. Löt- & Montagerichtlinien

Das Bauteil ist für Standard-Leiterplattenbestückungsprozesse geeignet. Der absolute Maximalwert gibt an, dass die Anschlussdrähte eine Löttemperatur von 260°C für 5 Sekunden standhalten können, gemessen 1,6mm (0,063") vom Gehäusekörper entfernt. Dieser Wert ist mit typischen Wellenlöt- und Reflow-Lötprofilen kompatibel. Es wird empfohlen, falls zutreffend, die Standard-JEDEC- oder IPC-Richtlinien für die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsbehandlung zu befolgen, obwohl das Kunststoffgehäuse im Allgemeinen robust ist. Beim Löten sollte darauf geachtet werden, übermäßige thermische Belastung des Gehäuses zu vermeiden. Nach der Montage sollte die Reinigung mit lösungsmittelverträglichen Materialien durchgeführt werden. Für die Lagerung sollte der spezifizierte Bereich von -55°C bis +100°C eingehalten werden, und die Bauteile werden typischerweise in Feuchtigkeitssperrbeuteln mit Trockenmittel geliefert.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Objekterkennung/-unterbrechung:Wird paarweise mit einer Infrarot-LED verwendet, um das Vorhandensein oder Fehlen eines Objekts, das den Strahl unterbricht, zu erkennen. Üblich in Druckern, Kopierern, Automaten und Industriezählern.
• Annäherungserkennung:Erkennen der Reflexion von Infrarotlicht von einem nahen Objekt.
• Lichtschranken/Schlitzsensoren:Erkennen der Kante eines Bandes, Papiers oder anderen Materials.
• Encoder:Wird in optischen Dreh- oder Linearencodern verwendet, um Muster auf einem Codierrad oder -streifen zu lesen.
• Einfache Fernbedienungsempfänger:Für grundlegende Infrarot-Befehlsdetektion (obwohl dedizierte Empfängermodule für komplexe Protokolle üblicher sind).

7.2 Design-Überlegungen

• Vorspannung:Der Phototransistor kann in zwei gängigen Konfigurationen verwendet werden: Schaltbetrieb (mit einem Pull-up-Widerstand) oder Analogbetrieb (in einer Emitterschaltung). Der Wert des Lastwiderstands (R_L) beeinflusst sowohl Ausgangsspannung/-strom als auch Ansprechgeschwindigkeit entscheidend (siehe Abb. 3).
• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Für einen zuverlässigen Betrieb in Umgebungen mit wechselndem Umgebungslicht (z.B. Sonnenlicht, Raumbeleuchtung) ist oft eine Modulation der Infrarotquelle und entsprechende Filterung oder Demodulation des Phototransistorsignals erforderlich.
• Linse und Ausrichtung:Eine korrekte mechanische Ausrichtung zwischen Infrarot-Emitter und Phototransistor unter Berücksichtigung seiner Seitenblick-Bauform und seines Winkel-Empfindlichkeitsmusters (Abb. 5) ist entscheidend, um die Signalstärke und Zuverlässigkeit zu maximieren.
• Temperatureffekte:Das Design muss die Variation des Dunkelstroms (Abb. 1) und der Empfindlichkeit mit der Temperatur berücksichtigen, insbesondere bei Außen- oder rauen Umgebungen.
• Elektrisches Rauschen:In empfindlichen analogen Schaltungen können Abschirmung und korrekte Masseverbindung erforderlich sein, um Rauscheinkopplung am hochohmigen Phototransistor-Knoten zu verhindern.

8. Technischer Vergleich & Differenzierung

Im Vergleich zu einer Standard-Photodiode bietet ein Phototransistor wie der LTR-306 eine interne Verstärkung, was zu einem viel höheren Ausgangsstrom bei gleichem Lichteinfall führt. Dies macht in vielen einfachen Detektionsschaltungen einen externen Transimpedanzverstärker überflüssig, reduziert die Bauteilanzahl und die Kosten. Im Vergleich zu anderen Phototransistoren liegen die spezifischen Vorteile des LTR-306 in seinemSeitenblickgehäuse, welches eine spezifische mechanische Bauform für bestimmte optische Pfade darstellt, seinembreiten Kollektorstrom-Binning, das Flexibilität bietet, und seinerintegrierten Linse für erhöhte Empfindlichkeit. Seine spezifizierten Anstiegs-/Abfallzeiten und Spannungsfestigkeiten machen ihn zu einem robusten Allzweckbauteil für mittelschnelle Anwendungen.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Was bedeutet der Bin-Code (A, B, C, usw.) für mein Design?

A: Der Bin-Code gibt den garantierten Bereich des Kollektorstroms an, den das Bauteil unter Standardtestbedingungen erzeugt. Wählen Sie ein Bin, das ausreichend Signalstrom für Ihre nachgeschaltete Schaltung (z.B. Komparator, Mikrocontroller-ADC) liefert, wobei Sie den Stromverbrauch berücksichtigen. Höhere Bins (E, F) liefern mehr Strom, können aber einen etwas höheren Dunkelstrom aufweisen.

F: Kann ich diesen Sensor im Sonnenlicht verwenden?

A: Direktes Sonnenlicht enthält eine erhebliche Menge an Infrarotstrahlung, die den Sensor sättigen und für die Detektion einer separaten IR-Quelle unbrauchbar machen wird. Für den Außeneinsatz sind optische Filterung (ein IR-Passfilter, der sichtbares Licht blockiert) und/oder modulierte Lichtquellen mit synchroner Detektion zwingend erforderlich.

F: Warum hängen Anstiegs-/Abfallzeit vom Lastwiderstand ab?

A: Die Geschwindigkeit des Phototransistors wird durch die RC-Zeitkonstante begrenzt, die durch seine Sperrschichtkapazität und den Lastwiderstand (R_L) gebildet wird. Ein größeres R_Lerzeugt eine größere Zeitkonstante, verlangsamt den Spannungshub am Kollektor und erhöht somit Anstiegs- und Abfallzeiten. Für eine schnellere Reaktion verwenden Sie ein kleineres R_L, aber dies verringert auch den Ausgangsspannungshub.

F: Wie interpretiere ich das Empfindlichkeitsdiagramm?

A: Das Diagramm zeigt die relative Reaktion des Sensors auf Licht aus verschiedenen Winkeln. Ein Wert von 1,0 (oder 100%) liegt typischerweise bei 0° (gerade auf die Linse). Die Kurve zeigt, wie stark das Signal abnimmt, wenn die Lichtquelle falsch ausgerichtet ist. Verwenden Sie dies, um das mechanische Gehäuse und die Ausrichtungsmerkmale in Ihrem Produkt zu gestalten.

10. Praktisches Designbeispiel

Szenario: Entwurf eines Papier-Präsenz-Sensors für einen Drucker.Eine Infrarot-LED wird auf einer Seite des Papierwegs platziert und der LTR-306 direkt gegenüber, wodurch ein Strahl erzeugt wird. Wenn kein Papier vorhanden ist, trifft das IR-Licht auf den Phototransistor, schaltet ihn ein und zieht seine Kollektorspannung auf niedriges Potential. Wenn Papier durchläuft, blockiert es den Strahl, der Phototransistor schaltet aus und seine Kollektorspannung geht auf hohes Potential (über einen Pull-up-Widerstand). Dieser Spannungsübergang wird von einem Mikrocontroller erkannt.

Designschritte:

1. Wählen Sie ein geeignetes Bin (z.B. Bin C), um sicherzustellen, dass eine ausreichend starke Stromänderung vorhanden ist, um den gewählten Pull-up-Widerstand über den erwarteten Betriebstemperaturbereich zuverlässig anzusteuern.

2. Wählen Sie einen Last-/Pull-up-Widerstand (R_L). Ein 4,7kΩ-Widerstand mit einer 5V-Versorgung würde einen guten Spannungshub ergeben. Siehe Abb. 3, um sicherzustellen, dass die resultierende Ansprechzeit von ~100μs für die Papiergeschwindigkeit schnell genug ist.

3. Konstruieren Sie den Halter mechanisch so, dass LED und LTR-306 gemäß der 0°-Achse im Empfindlichkeitsdiagramm (Abb. 5) ausgerichtet sind. Das Seitenblickgehäuse vereinfacht dies, da beide Bauteile flach auf der Leiterplatte montiert und einander zugewandt sein können.

4. Implementieren Sie den IR-LED-Treiber mit Modulation (z.B. eine 1kHz-Rechteckwelle), um den Sensor unempfindlich gegenüber konstantem Umgebungs-IR-Licht zu machen. Der Mikrocontroller würde dann das Sensorsignal synchron zu dieser Modulation auslesen.

11. Funktionsprinzip

Ein Phototransistor ist ein bipolarer Transistor, bei dem die Basisregion Licht ausgesetzt ist. Beim LTR-306 (NPN-Typ) werden einfallende Photonen mit ausreichender Energie (Infrarotlicht bei ~940nm) in der Basis-Kollektor-Sperrschicht absorbiert und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Diese photogenerierten Ladungsträger werden durch das elektrische Feld in der in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Sperrschicht getrennt. Der resultierende Fotostrom wirkt als Basisstrom für den Transistor. Aufgrund der Stromverstärkung (Beta/h_FE) des Transistors wird dieser kleine Fotostrom verstärkt und erzeugt einen viel größeren Kollektorstrom. Diese interne Verstärkung ist der Hauptunterschied zu einer Photodiode. Der Kollektorstrom ist hauptsächlich proportional zur Intensität des einfallenden Lichts und der Verstärkung des Bauteils.

12. Technologietrends

Phototransistoren wie der LTR-306 repräsentieren eine ausgereifte und kosteneffektive Technologie für einfache Lichterfassung. Aktuelle Trends in der Optoelektronik umfassen die Integration von Phototransistoren mit On-Chip-Verstärkungs- und Signalaufbereitungsschaltungen, um digitale Ausgangssensoren oder analoge Sensoren mit verbesserter Linearität und Temperaturkompensation zu schaffen. Es gibt auch einen Trend zur Miniaturisierung und zu Oberflächenmontagegehäusen mit noch kleineren Abmessungen. Für höhergeschwindigkeits- und präzisere Anwendungen werden oft Photodioden mit externen Transimpedanzverstärkern oder dedizierten optischen ICs bevorzugt. Für grundlegende, kostengünstige, mittelschnelle Detektionsaufgaben bleiben diskrete Phototransistoren jedoch aufgrund ihrer Einfachheit, Robustheit und geringen Bauteilanzahl hochrelevant.