LTR-536AD フォトトランジスタ データシート - ダークグリーンパッケージ - 30V逆耐圧 - 150mW電力損失 - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-536ADは、赤外線 (IR) 検出アプリケーション向けに特別に設計された高性能シリコンNPNフォトトランジスタです。その中核機能は、入射する赤外線放射を電流に変換することです。この部品の決定的な特徴は、特殊なダークグリーンのプラスチックエポキシパッケージです。この材料は可視光波長を減衰またはカットするように配合されており、特に約940nmの赤外線スペクトル内での感度と信号対雑音比を大幅に向上させます。これは、周囲の可視光を識別することが重要なアプリケーションに理想的な選択肢となります。

中核的な利点:

• 高感度:与えられた赤外線照度レベルに対して強力な電気出力信号を提供します。
• 赤外線最適化:ダークグリーンパッケージは可視光フィルターとして機能し、純粋なIRセンシングに特に適しています。
• 低接合容量:このパラメータは高周波動作に重要で、より高速な応答時間を可能にします。
• 高速スイッチング特性:立ち上がり時間と立ち下がり時間が速く、パルスIRシステムやデータ通信に適しています。
• 高カットオフ周波数:より高周波の回路での動作をサポートします。

ターゲット市場:このフォトトランジスタは、赤外線ベースのシステムに取り組む設計者やエンジニアを対象としています。一般的なアプリケーションには、近接センサー、物体検出、非接触スイッチ、IRデータ伝送リンク（リモコンなど）、産業オートメーション、および可視光源からの干渉を排除しながら赤外線信号を確実に検出する必要があるあらゆるシステムが含まれます。

2. 詳細技術パラメータ分析

特に断りのない限り、すべてのパラメータは周囲温度 (T_A) 25°Cで規定されています。これらのパラメータを理解することは、適切な回路設計と、デバイスの限界内での信頼性の高い動作を確保するために不可欠です。

2.1 絶対最大定格

これらは、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性のあるストレスの限界です。動作は常にこれらの限界内で維持する必要があります。

• 電力損失 (P_D):150 mW。これはデバイスが熱として放散できる最大許容電力です。
• 逆電圧 (V_R):30 V。コレクタ-エミッタ接合に逆バイアスで印加できる最大電圧です。
• 動作温度範囲 (T_oper):-40°C ～ +85°C。デバイスが正常に動作する周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲 (T_stg):-55°C ～ +100°C。非動作状態での保存温度範囲です。
• リードはんだ付け温度:260°C、5秒間（パッケージ本体から1.6mmの位置で測定）。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、指定された試験条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 逆降伏電圧 (V_(BR)R):30 V (最小)。逆電流 (I_R) が急激に増加する電圧です（100µAで試験）。これは絶対最大定格と関連しています。
• 逆暗電流 (I_D(R)):30 nA (最大)。デバイスが逆バイアス状態 (V_R=10V) で完全な暗闇 (E_e=0) のときに流れるリーク電流です。値が低いほど、低照度条件下での性能が優れていることを示します。
• 開放電圧 (V_OC):350 mV (標準)。照明下 (λ=940nm, E_e=0.5mW/cm²) で外部負荷がない（開放）状態でデバイス両端に発生する電圧です。
• 短絡電流 (I_S):1.7 µA (最小), 2 µA (標準)。デバイスが照明され (λ=940nm, E_e=0.1mW/cm²)、出力が短絡された (V_R=5V) ときに流れる電流です。これは感度の重要な尺度です。
• 立ち上がり時間 (T_r) & 立ち下がり時間 (T_f):50 nsec (標準)。照明のステップ変化に応答して、出力電流が最終値の10%から90%に立ち上がる（立ち上がり）、または90%から10%に立ち下がる（立ち下がり）のに必要な時間です。高速アプリケーションに重要です。
• 総容量 (C_T):25 pF (標準)。暗闇中、V_R=3V、f=1MHzで測定された接合容量です。容量が低いほど、より高速なスイッチング速度が可能になります。
• 最大感度波長 (λ_SMAX):900 nm (標準)。フォトトランジスタが最も応答する赤外線のピーク波長です。約940nmのエミッタに最適化されています。

3. 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グラフが提供されています。これらは、標準/最小/最大の数値を超えた詳細な設計作業に非常に貴重です。

3.1 暗電流 vs. 逆電圧 (図1)

この曲線は、逆暗電流 (I_D) が印加される逆電圧 (V_R) とともにどのように増加するかを示しています。通常、低電圧では非常に低く比較的一定の電流を示し、電圧が上昇するにつれて徐々に増加し、降伏電圧で急激に上昇します。設計者は、動作V_Rがこの曲線の膝の十分に下にあることを確認し、リーク電流からのノイズを最小限に抑える必要があります。

3.2 容量 vs. 逆電圧 (図2)

このグラフは、接合容量 (C_T) と逆バイアス電圧の関係を示しています。容量は逆電圧の増加とともに減少します。高速回路設計では、より高い逆電圧（限界内）で動作させることでC_Tを減らし帯域幅を改善できますが、これは増加する暗電流（図1より）とバランスを取る必要があります。

3.3 光電流 & 暗電流 vs. 周囲温度 (図3 & 図4)

図3は、光電流 (I_P) が周囲温度とともにどのように変化するかを示しています。フォトトランジスタの感度は一般に温度が上昇すると低下します。図4は、暗電流 (I_D) が温度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。これら2つの曲線は、広い温度範囲（例：-40°C ～ +85°C）で確実に動作しなければならないシステムを設計する上で重要です。高温では、増加する暗電流が弱い光信号を圧倒し、信号対雑音比を低下させる可能性があります。

3.4 相対分光感度 (図5)

これは、アプリケーションのマッチングにとっておそらく最も重要な曲線です。フォトトランジスタの正規化された応答度を波長範囲（通常～800nm～1100nm）にわたってプロットしています。LTR-536ADは約900nmでピーク感度を示し、可視光スペクトル（<800nm）では大幅な減衰を示します。これはダークグリーンパッケージの直接的な結果です。この曲線は、意図したIR LEDまたは光源の放射スペクトルと照合し、最適な結合を確保する必要があります。

3.5 光電流 vs. 照度 (図6)

このグラフは、入射赤外線パワー（照度 E_e) と結果として生じる光電流 (I_P) の間の線形関係を示しています。この線の傾きはデバイスの応答度を表します。これは、デバイスが試験された照度範囲で線形領域で動作することを確認しており、アナログセンシングアプリケーションに望ましい特性です。

3.6 総電力損失 vs. 周囲温度 (図8)

このデレーティング曲線は、最大許容電力損失 (P_D) が周囲温度の関数としてどのように変化するかを示しています。150mWの絶対最大定格は、ある温度（おそらく25°C）までしか適用されません。周囲温度が上昇すると、デバイスの放熱能力は低下するため、過熱を防ぐために最大許容電力は直線的に低減しなければなりません。これは信頼性計算に不可欠です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

LTR-536ADは、標準的な3mm (T-1) スルーホールパッケージです。データシートからの主要な寸法上の注意点は以下の通りです:

• すべての寸法はミリメートル単位です（括弧内にインチ単位を記載）。
• 特に指定がない限り、標準公差 ±0.25mm (.010") が適用されます。
• フランジ下の樹脂の最大突出は1.5mm (.059") です。
• リード間隔は、リードがパッケージ本体から出る点で測定されます。

極性識別:デバイスにはレンズ側にフラット面があり、通常はコレクタリードを示します。長いリードは通常エミッタです。ただし、設計者は取り付け前に必ずマルチメータのダイオードテストモードで極性を確認する必要があります。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

実装中のデバイスの完全性を確保するために、以下の条件を遵守する必要があります:

• リフローはんだ付け:リードは260°Cの温度を最大5秒間耐えることができます。この測定はパッケージ本体から1.6mm (0.063") の位置で行われます。内部の半導体ダイやエポキシパッケージへの損傷を防ぐため、標準的な波はんだ付けまたはリフロープロファイルはこの制限に準拠するように調整する必要があります。
• 手はんだ付け:手はんだ付けが必要な場合は、温度制御されたはんだごてを使用し、リードごとの接触時間を3秒未満に最小限に抑えてください。可能であれば、接合部とパッケージ本体の間のリードにヒートシンククリップを使用してください。
• 洗浄:ダークグリーンのエポキシ材料と互換性のある承認済みの洗浄溶剤のみを使用してください。超音波洗浄は、その互換性と出力/時間設定が確認されていない限り避けてください。パッケージや内部接合を損傷する可能性があります。
• 保存条件:指定された保存温度範囲 -55°C ～ +100°C 内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。長期保存が予想される場合は、元の防湿バッグを使用してください。

6. アプリケーション提案 & 設計上の考慮点

6.1 代表的なアプリケーション回路

LTR-536ADは、主に2つの構成で使用できます:

1. スイッチモード (デジタル出力):フォトトランジスタは、電源電圧 (V_CC) とグランドの間にプルアップ抵抗と直列に接続されます。出力はコレクタノードから取り出されます。IR光がセンサーに当たると、オンになり、出力電圧をLowに引き下げます。暗いときはオフになり、プルアップ抵抗が出力をHighに引き上げます。プルアップ抵抗の値は、スイッチング速度と消費電流を決定します（抵抗が小さいほどスイッチングは速くなりますが、消費電力は高くなります）。
2. リニアモード (アナログ出力):構成は似ていますが、フォトトランジスタは固定ベース電流（多くの場合ゼロで、光電流のみに依存）とコレクタ抵抗を使用してその活性領域でバイアスされます。コレクタの電圧は、入射するIR光の強度に比例して直線的に変化します。このモードは、距離測定や光レベル検出などのアナログセンシングに使用されます。

6.2 重要な設計上の考慮点

• 光源マッチング:LTR-536ADは、ピーク波長が約940nmに近く、フォトトランジスタの分光感度ピーク（900nm）と一致するIRエミッタ（LED）と必ずペアリングし、最大効率を実現してください。
• 環境光除去:ダークグリーンパッケージは役立ちますが、明るい環境での動作では、環境光ノイズを除去するために、追加の光学フィルター（専用のIR透過フィルター）または変調/復調技術（IR光源をパルス化し、信号を同期検出する）が必要になる場合があります。
• 速度のためのバイアス:可能な限り高速の応答時間（標準50ns）を達成するには、デバイスを逆電圧 (V_CE) 約10Vで動作させ、小さな負荷抵抗（例：試験条件のように1kΩ）を使用してください。これにより、接合容量 (C_T) と負荷抵抗 (R_L) によって形成されるRC時定数を最小限に抑えます。
• 温度補償:広い温度範囲にわたる高精度アプリケーションでは、暗電流と感度の変動を補償する回路技術を検討してください。これには、暗参照チャネルで整合したフォトトランジスタを使用するか、信号調整回路に温度依存のゲイン調整を実装することが含まれます。

7. 技術比較 & 差別化

LTR-536ADは、その特殊なパッケージにより、フォトトランジスタ市場で差別化を図っています。標準的なクリアまたはウォータークリアエポキシフォトトランジスタと比較して、その主な利点は内蔵の可視光カットオフです。これにより、多くのアプリケーションで外部IRフィルターが不要になり、部品点数、コスト、および実装の複雑さを削減します。比較的高速なスイッチング速度（50ns）、低容量（25pF）、良好な感度（0.1mW/cm²で標準2µA）の組み合わせにより、アナログセンシングと中速デジタルIR通信リンクの両方に対してバランスの取れた選択肢となっています。

8. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

8.1 赤色LED (650nm) と一緒に使用できますか？

回答:いいえ、推奨されません。相対分光感度曲線（図5）は、650nm（可視赤色）で非常に低い応答度を示しています。ダークグリーンパッケージはこの波長を積極的に遮断します。赤色光を検出するには、クリアパッケージで可視範囲にピーク感度を持つフォトトランジスタを選択する必要があります。

8.2 暖かい環境で出力信号がノイジーになるのはなぜですか？

回答:図4（暗電流 vs. 温度）を参照してください。暗電流は温度とともに指数関数的に増加します。回路が弱いIR信号を検出するように設計されている場合、高温では熱によって生成された暗電流が無視できない大きさになり、ノイズまたはDCオフセットとして現れる可能性があります。解決策には、センサーを冷却する、同期検出付きの変調光源を使用する、または暗電流を減算する回路トポロジーを選択することが含まれます。

8.3 負荷抵抗 (R_L) の値はどのように選定すればよいですか？

回答:速度、感度、電力の間のトレードオフが関係します。
速度重視（デジタルスイッチング）の場合:小さなR_L（例：1kΩ～4.7kΩ）を選択します。これにより、高速なエッジのために小さなRC時定数 (C_T* R_L) が得られますが、より多くの電流を消費します。
高電圧スイング重視（アナログセンシング）の場合:大きなR_L（例：10kΩ～100kΩ）を選択します。これにより、光の変化に対する出力電圧変化が大きくなりますが、応答時間は遅くなります。
フォトトランジスタが完全にオンのときにR_L両端の電圧降下がコレクタ-エミッタ電圧を飽和レベル以下に低下させないこと、およびフォトトランジスタの電力損失が動作温度でのデレーティング限界を下回ることを常に確認してください。

9. 実用的な使用例

アプリケーション:産業用カウンターにおける非接触物体検出
実装:IR LED (940nm) とLTR-536ADはコンベアベルトの反対側に取り付けられます（スルービーム構成）。LEDはドライバ回路を使用して10kHzでパルス駆動されます。フォトトランジスタは、5Vへの4.7kΩのプルアップ抵抗を備えたスイッチモードで接続されます。その出力はマイクロコントローラの入力キャプチャピンに供給されます。通常状態（物体なし）では、パルス化されたIR光がセンサーに到達し、出力が10kHzでパルスします。マイクロコントローラのファームウェアはこの周波数を検出します。物体がビームを通過すると、光を遮断し、フォトトランジスタの出力はHigh（またはロジックに応じてLow）のままになります。マイクロコントローラは10kHz信号の不在を検出し、カウンターをインクリメントします。LTR-536ADのダークグリーンパッケージは、工場内の環境蛍光灯や白熱灯が誤ってカウンターをトリガーするのを防ぎます。

10. 動作原理の紹介

フォトトランジスタは、基本的にはベース電流が電気的に供給されるのではなく、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-536AD (NPN型) では、シリコンのバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ（約1100nmより短い波長に対応する）入射光子が、ベース-コレクタ接合領域で吸収されます。この吸収により電子-正孔対が生成されます。逆バイアスされたコレクタ-ベース接合の電界はこれらのキャリアを掃き出し、光電流を生成します。この光電流は、トランジスタに注入されるベース電流とまったく同じように作用します。トランジスタの電流増幅率（ベータ、β）により、コレクタ電流は初期光電流よりもはるかに大きくなります (I_C= β * I_photo)。この内部増幅が、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ています。ダークグリーンエポキシはほとんどの可視光光子を吸収し、主に赤外線光子がシリコンチップに到達できるようにするため、デバイスは選択的にIRに感度を持つようになります。

11. 技術トレンド

光エレクトロニクスの分野は進化を続けています。LTR-536ADのようなディスクリートのスルーホールフォトトランジスタは多くのアプリケーションで不可欠ですが、トレンドには以下が含まれます:
集積化:光検出器とアナログフロントエンド回路（増幅器、フィルター）およびデジタルロジック（コンパレータ、論理出力）をシングルチップソリューションまたはモジュールに統合する傾向が強まっています。
表面実装技術 (SMT):自動実装と基板スペースの削減のため、より小さなSMTパッケージへの強い移行がありますが、有効面積が小さいため感度とのトレードオフになることが多いです。
特殊化:より特定の分光応答を持つデバイス、光データ通信のためのより高速な速度、過酷な環境（より高い温度、湿度）に対する強化された耐性を備えたデバイスの開発が進んでいます。
フォトトランジスタの中核原理は変わっていませんが、その実装はよりアプリケーション特化型で集積化されるようになっています。