LTR-5576D フォトトランジスタ データシート - パッケージ 3.0x2.8x1.9mm - Vce 30V - 電力 100mW - ダークグリーンフィルター - 技術文書

1. 製品概要

LTR-5576Dは、赤外線検出用途向けに設計されたシリコンNPNフォトトランジスタです。その主な機能は、入射した赤外光をコレクタ端子で電流に変換することです。この部品の重要な特徴は、特殊なダークグリーンのプラスチックパッケージです。このパッケージ材料は、可視光波長を減衰または遮断するように特別に選択されており、これによりデバイスの赤外線放射に対する感度と選択性が向上します。これは、周囲の可視光と意図した赤外線信号を区別することが重要なアプリケーションに特に適しています。

LTR-5576Dの中核的な利点には、設計の柔軟性を提供する広いコレクタ電流動作範囲が含まれます。赤外光に対する高い感度を提供し、より低い放射照度レベルでも確実な検出を保証します。さらに、マイクロ秒範囲の立ち上がり時間と立ち下がり時間で特徴付けられる高速スイッチング時間を誇り、データ通信リンク、物体検出、速度センシングなど、高速応答を必要とするアプリケーションでの使用を可能にします。

2. 詳細な技術パラメータ分析

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性がある限界を定義します。これらは周囲温度（T_A）25°Cで規定されています。

• 電力損失（P_D）：100 mW。これはデバイスが熱として放散できる最大電力です。この限界を超えると、熱暴走や故障のリスクがあります。
• コレクタ-エミッタ電圧（V_CEO）：30 V。ベースが開放（フローティング）状態でコレクタとエミッタ間に印加できる最大電圧です。
• エミッタ-コレクタ電圧（V_ECO）：5 V。エミッタとコレクタ間に印加可能な最大逆電圧です。
• 動作温度範囲：-40°C ～ +85°C。デバイスが電気的特性に従って動作することが保証される周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲：-55°C ～ +100°C。劣化なしで非動作状態で保存できる温度範囲です。
• リードはんだ付け温度：パッケージ本体から1.6mmの位置で測定し、5秒間260°C。これはリフローはんだ付けプロファイルの制約を定義します。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは、T_A=25°Cの特定の試験条件下でのデバイスの性能を定義します。

• コレクタ-エミッタ降伏電圧、V_(BR)CEO:30 V（最小）。放射照度ゼロ（E_C= 0 mW/cm²）、I_e= 1mAで測定。
• エミッタ-コレクタ降伏電圧、V_(BR)ECO:5 V（最小）。放射照度ゼロ、I_E= 100μAで測定。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧、V_CE(SAT):0.4 V（最大）。デバイスが完全にオン（導通）状態にあるときの電圧降下で、I_C= 50μA、E_e= 0.5 mW/cm²で試験。効率的なスイッチングには低いV_CE(SAT)が望ましいです。
• スイッチング時間：
  • 立ち上がり時間（T_r）：15 μs（標準）。出力電流が最終値の10%から90%まで上昇する時間です。
  • 立ち下がり時間（T_f）：18 μs（標準）。出力電流が初期値の90%から10%まで下降する時間です。V_CC=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩで試験。
• コレクタ暗電流（I_CEO）：100 nA（最大）。光が入射せず（E_e= 0 mW/cm²）、V_CE= 10Vのときにコレクタを流れるリーク電流です。低照度検出において良好な信号対雑音比を得るには、低い暗電流が重要です。
• オン状態コレクタ電流比（R）：I_L1/I_L2として定義され、標準値1.0、最小/最大0.8/1.25です。このパラメータは、特定の試験条件下での電流出力の一貫性に関連します。

3. ビニングシステムの説明

LTR-5576Dは、平均オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）に基づくビニングシステムを採用しています。この電流は標準化された条件：V_CE= 5V、放射照度（E_e）1 mW/cm²で測定されます。デバイスは測定されたI_C(ON)範囲に応じて異なるビン（AからF）に選別されます。各ビンは識別を容易にするため特定の色マークに関連付けられています。

2種類の限界が提供されています：製造時の選別に使用されるより厳しい生産設定範囲と、最終受入試験に使用されるより広い品質管理（Q.C.）限界です。

このビニングにより、設計者は特定の回路要件に合わせて感度が一貫したデバイスを選択でき、量産において予測可能な性能を確保できます。

4. 性能曲線分析

データシートには、様々な条件下でのデバイスの動作を示すいくつかの特性曲線が提供されています。

4.1 コレクタ暗電流 vs. 周囲温度（図1）

この曲線は、コレクタ暗電流（I_CEO）が周囲温度の上昇とともに指数関数的に増加することを示しています。25°Cではナノアンペアの範囲ですが、動作温度範囲の上限（+85°C）では大幅に増加する可能性があります。増加する暗電流はオフセットまたは雑音源として作用するため、広い温度範囲で安定性を維持しなければならない回路設計において、この特性は重要です。

4.2 コレクタ電力デレーティング vs. 周囲温度（図2）

このグラフは、周囲温度の上昇に伴う最大許容電力損失のデレーティングを示しています。25°Cでは、デバイスはフルの100 mWを放散できます。温度が上昇すると、接合温度限界を超えないように、この最大電力は直線的に低減しなければなりません。この曲線は、熱管理と高温環境での信頼性の高い動作を確保するために不可欠です。

4.3 立ち上がり・立ち下がり時間 vs. 負荷抵抗（図3）

このプロットは、スイッチング速度（T_r、T_f）とコレクタに接続された負荷抵抗（R_L）の関係を示しています。スイッチング時間は、負荷抵抗が減少するにつれて減少します。これは、より小さなR_Lにより、フォトトランジスタの接合容量および回路内の寄生容量の充放電が速くなるためです。設計者はこの曲線を使用して、スイッチング速度と出力信号振幅の望ましいバランスのためにR_Lを最適化できます。

4.4 相対コレクタ電流 vs. 放射照度（図4）

この曲線は、フォトトランジスタの伝達関数：入射赤外線放射照度（E_e、単位 mW/cm²）と結果として生じるコレクタ電流（I_C）の関係を示しています。この曲線は特定の範囲で典型的に線形です。この直線性は、出力電流が光強度に直接比例するべきアナログセンシングアプリケーションにおいて重要です。このプロットはV_CE= 5Vで取得されています。

5. 機械的・パッケージ情報

5.1 パッケージ寸法

LTR-5576Dは、標準的な3ピンのサイドルーキングパッケージです。主要な寸法（ミリメートル単位）は以下の通りで、特に指定がない限り一般的な公差は±0.15mmです：

• パッケージ本体：長さ約3.0mm、高さ約2.8mm、深さ約1.9mm（リードを除く）。
• リード間隔：リードの中心間の距離は標準値で、パッケージ本体から出る位置で測定されます。
• 樹脂突出：フランジ下で最大1.5mmの樹脂が突出する場合があります。

パッケージのダークグリーンのプラスチック材料は、可視光を遮断するというその機能に不可欠です。

5.2 極性識別

デバイスには3本のリードがあります：エミッタ、コレクタ、ベース（しばしば未接続のままか、一部の構成ではバイアス抵抗として使用されます）。ピン配置はこのパッケージタイプでは標準的ですが、設計者は常に正しい向きのためにデータシートの詳細なパッケージ図面を参照しなければなりません。誤った接続はデバイスを損傷する可能性があります。

6. はんだ付け・組立ガイドライン

フォトトランジスタの取り扱いと組立には、静電気放電（ESD）や過度の熱による損傷を避けるための注意が必要です。

• ESD対策：デバイスはESDに敏感です。接地リストストラップや導電性作業面の使用を含む、適切なESD安全な取り扱い手順に従わなければなりません。
• リフローはんだ付け：リードはんだ付けの絶対最大定格は、パッケージ本体から1.6mmの位置で測定し、5秒間260°Cです。これは標準的な無鉛リフロープロファイルに対応します。熱衝撃やこの限界を超えないように、プロファイルは注意深く制御する必要があります。
• ウェーブはんだ付け：使用する場合、ウェーブはんだ付けはプラスチックパッケージへの熱応力を最小限に抑えるために適切な予熱を行って実施する必要があります。
• 洗浄：ダークグリーンのプラスチック材料と適合性のある洗浄溶剤を使用し、変色や劣化を避けてください。
• 保管：指定された温度範囲-55°C ～ +100°C内の、乾燥したESD保護環境で保管してください。

7. アプリケーション提案

7.1 典型的なアプリケーションシナリオ

• 物体検出および近接センシング：自動蛇口、ハンドドライヤー、ペーパータオルディスペンサー、セキュリティシステムなどのデバイスで、赤外線ビームを反射させることで物体の有無を検出するために使用されます。
• 産業オートメーション：コンベアベルト上の物体の計数、機械部品の位置検出、または速度・位置フィードバックのための光学エンコーダーに使用されます。
• 民生電子機器：リモコン受信機（専用ICと組み合わせることが多い）、ディスプレイ輝度制御のための環境光センサー、プリンターやディスクドライブのスロットセンサーなどに使用されます。
• 基本データリンク：シンプルな近距離赤外線データ伝送（例：低速のIrDA準拠システム）に使用されます。

7.2 設計上の考慮事項

• バイアス回路：フォトトランジスタは、2つの一般的な構成で使用できます：単純なスイッチ（プルアップ抵抗付き）またはアナログセンシングのためのリニアモードです。負荷抵抗（R_L）の値は重要であり、利得、帯域幅（スイッチング速度）、および出力電圧振幅に影響します。
• 環境光除去：ダークグリーンパッケージは可視光を大幅に除去しますが、完全ではありません。高環境光環境では、信号の完全性を向上させるために、追加の光学フィルタリング、変調されたIR信号、または同期検出技術が必要になる場合があります。
• 温度補償：曲線に示されているように、暗電流は温度とともに増加します。精密なアナログセンシングでは、回路は温度補償を必要とするか、温度依存性のオフセットを打ち消すために差動構成でデバイスを使用する必要があるかもしれません。
• レンズおよびハウジング設計：センサーの視野角はそのパッケージによって決まります。外部レンズや絞りを使用して、アプリケーションに必要に応じて感応領域を焦点合わせたり制限したりできます。

8. 技術比較・差別化

LTR-5576Dの主な差別化要因は、そのダークグリーンのプラスチックパッケージです。標準的な透明または無色のパッケージと比較して、これは可視光に対する固有のフィルタリングを提供し、周囲の可視光が変動する環境での光学設計を簡素化します。その高速スイッチング時間（15-18 μsの範囲）は、数十から数百マイクロ秒のスイッチング時間を持つ一般的なフォトトランジスタよりも高速な応答を必要とするアプリケーションに適しています。包括的なビニングシステム（ビンA-F）は、設計者に保証された感度範囲を提供し、パラメータのばらつきが広い非ビニング部品と比較して、量産においてより一貫した性能を可能にします。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: ダークグリーンパッケージの目的は何ですか？
A: ダークグリーンのプラスチックは、内蔵の光学フィルターとして機能します。可視光スペクトルの大部分を減衰させながら、赤外線波長をシリコンチップに通過させます。これにより、センサーが周囲の室内光、太陽光、または他の可視光源に応答することを大幅に低減し、意図した赤外線信号に主に応答するようにします。

Q: 適切な負荷抵抗（R_L）をどのように選択すればよいですか？
A: 選択にはトレードオフが伴います。大きなR_Lは、所定の光電流に対してより高い出力電圧振幅（より高い利得）を提供しますが、スイッチング速度が遅くなります（図3参照）。小さなR_Lはより高速な応答を提供しますが、利得は低くなります。優先事項が感度（アナログセンシング）か速度（デジタルスイッチング）かに基づいてR_Lを選択してください。

Q: ビニング（A-F）は私の設計にとって何を意味しますか？
A: ビニングは感度の一貫性を保証します。回路が特定の電流しきい値に対して設計されている場合、同じビンからのデバイスを使用することで、すべてがほぼ同じ光レベルでトリガーされることが保証されます。ビンを混在させると、一部のユニットが他よりも感度が高くなったり低くなったりする可能性があります。I_C(ON)範囲が回路の動作点に適合するビンを選択してください。

Q: このセンサーを直射日光下で使用できますか？
A: ダークグリーンパッケージは役立ちますが、直射日光にはセンサーを飽和させる可能性のある大量の赤外線放射が含まれています。屋外または高環境IRアプリケーションでは、特定のIR光源波長に調整された光学バンドパスフィルター、物理的シールド、または同期検出付きの変調IR光源の使用など、追加の対策が必要です。

10. 実践的な設計ケーススタディ

シナリオ：ペーパータオルディスペンサーセンサーの設計
目標は、ディスペンサーの下に置かれた手を検出し、モーターを作動させることです。IR LEDエミッタはLTR-5576D検出器の反対側に配置されます。通常、IRビームは検出器に当たり、電流を生成します。手がビームを遮ると、電流が低下します。

設計ステップ：
1. 回路構成：フォトトランジスタをコモンエミッタスイッチ構成で使用します。コレクタを負荷抵抗R_Lを介して電源電圧（例：5V）に接続します。エミッタはグランドに接続します。出力電圧はコレクタノードで取得します。
2. R_L:の選択：速度は重要ではない（手の動きは遅い）ため、良好な信号振幅を優先します。図4から、適切な放射照度で、I_Cは約500μA（ビンC）かもしれません。R_L= 10kΩを選択すると、電圧振幅はΔV = I_C* R_L≈ 5Vとなり、ロジック入力の駆動に優れています。
3. ビニング選択：必要な検出距離で選択したIR LEDの出力で十分な電流を提供するビン（例：ビンCまたはD）を選択します。これにより、確実なトリガーが保証されます。
4. 環境光耐性：LTR-5576Dのダークグリーンパッケージは、複雑なフィルタリングなしで、室内照明のほとんどの変動を自動的に除去し、システムを堅牢にします。
5. 出力調整：コレクタ電圧（ビームがあるときは高、遮断されているときは低）は、コンパレータやマイクロコントローラのGPIOピンに直接入力して処理できます。

11. 動作原理

フォトトランジスタは、基本的にはベース電流が電気的接続ではなく光によって生成されるバイポーラ接合トランジスタ（BJT）です。LTR-5576D（NPN型）では、ベース-コレクタ接合に入射する赤外光子が電子-正孔対を生成します。これらの光生成キャリアは、逆バイアスされたベース-コレクタ接合を横切る電界によって掃き出され、光電流を生成します。この光電流はトランジスタのベース電流（I_B）として機能します。トランジスタの電流増幅率（βまたはh_FE）により、コレクタ電流（I_C）は元の光電流よりもはるかに大きくなります（I_C≈ β * I_B）。この内部増幅が、単純なフォトダイオードと比較してフォトトランジスタに高い感度を与えるものです。

12. 技術トレンド

光センシングの分野は進化を続けています。LTR-5576Dのような部品に関連するトレンドには以下が含まれます：
統合：光検出器とアナログフロントエンド回路（トランスインピーダンスアンプ、ADC）およびデジタルロジックのシングルチップソリューションまたはモジュールへの統合が進んでいます。
波長特異性：ガスセンシングや生物学的分析などの特定のアプリケーション向けに、より鋭いスペクトル応答曲線または調整可能性を持つ検出器の開発。
小型化：ますます小さくなる民生および医療機器に適合するためのパッケージサイズの継続的な縮小。
性能向上：低電力アプリケーション向けに、暗電流をさらに低減し、速度を向上させ、感度を高める取り組み。フォトトランジスタの基本原理は有効なままですが、その実装とサポートシステムアーキテクチャは進歩し続けています。