LTR-3208 フォトトランジスタ データシート - パッケージ外形寸法 - コレクタ・エミッタ間電圧 30V - 許容損失 100mW - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-3208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。高感度に最適化された一体型レンズを備えた低コストのプラスチックパッケージに収められています。この部品は、入射する赤外光をコレクタ端子で対応する電気電流に変換するように設計されており、信頼性が高くコスト効率の良い光検出が求められる様々なセンシング・検出システムに適しています。

1.1 中核的な利点

本デバイスは設計者にいくつかの重要な利点を提供します。主な特徴は、コレクタ電流の広い動作範囲であり、異なる信号レベルにわたる回路設計の柔軟性を提供します。パッケージに直接組み込まれたレンズは、入射する赤外線放射に対する感度を高め、信号対雑音比と検出距離を改善します。さらに、標準的なプラスチックパッケージの採用により、部品全体のコストを低く抑えており、大量生産やコスト重視のアプリケーションにおいて魅力的な選択肢となっています。

1.2 ターゲット市場と用途

このフォトトランジスタは、広範な光エレクトロニクス市場をターゲットとしており、非接触センシングを必要とするアプリケーションに役立ちます。典型的な使用例としては、物体検出、位置検出、スロットインタラプタ（プリンターやエンコーダーなど）、非接触スイッチ、産業用オートメーションシステムなどが挙げられます。その信頼性とシンプルなインターフェース（通常、プルアップ抵抗と電源電圧が必要）は、民生用電子機器と産業用制御システムの両方で一般的な選択肢となっています。

2. 詳細な技術パラメータ分析

LTR-3208の電気的および光学的性能は、標準的な周囲温度条件（25°C）下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、デバイスの規定限界内での信頼性の高い動作を確保するために極めて重要です。

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生じる可能性のある応力限界を定義します。これらの限界以下または限界での動作は保証されません。最大許容損失は100 mWであり、これはアプリケーションの熱設計を決定します。コレクタ・エミッタ間電圧定格（V_CEO）は30Vであり、エミッタ・コレクタ間電圧定格（V_ECO）は5Vで、デバイスの非対称性を示しています。動作温度範囲は-40°Cから+85°Cであり、保管温度範囲は-55°Cから+100°Cです。はんだ付けに関しては、リード線はパッケージ本体から1.6mmの位置で測定した場合、260°Cで5秒間耐えることができます。

2.2 電気的・光学的特性

主要な動作パラメータは、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・エミッタ間降伏電圧（V_(BR)CEO）は、照明なしでコレクタ電流1mAの条件下で、通常30Vです。コレクタ・エミッタ間飽和電圧（V_CE(SAT)）は非常に低く、放射照度1 mW/cm²の条件下でコレクタ電流100μAで駆動した場合、0.1V（最小）から0.4V（最大）の範囲です。この低い飽和電圧は、スイッチング用途において望ましい特性です。スイッチング速度は立上り時間（T_r）と立下り時間（T_f）で特徴付けられ、V_CC=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩの試験条件下で、それぞれ10 μsおよび15 μsと規定されています。光がない状態でのリーク電流であるコレクタ暗電流（I_CEO）は、V_CE=10Vにおいて最大値が100 nAです。

2.3 オン状態コレクタ電流とビニング

重要なパラメータはオン状態コレクタ電流（I_C(ON)）であり、デバイスが照明されたときの電流出力です。このパラメータはビニングされており、デバイスが性能グループに分類されることを意味します。試験条件は、波長940nm、放射照度1 mW/cm²、V_CE= 5Vです。ビンは以下の通りです：ビンC: 0.8 ～ 2.4 mA；ビンD: 1.6 ～ 4.8 mA；ビンE: 3.2 ～ 9.6 mA；ビンF: 6.4 mA（最小）。このビニングにより、設計者は特定のアプリケーションに適した感度範囲を持つデバイスを選択でき、システム性能の一貫性を確保できます。

3. 性能曲線分析

データシートには、主要なパラメータが環境および動作要因によってどのように変化するかを示すいくつかの特性曲線が提供されています。これらのグラフは、表に示された単一点の仕様を超えてデバイスの挙動を理解するために不可欠です。

3.1 温度依存性

図1は、コレクタ暗電流（I_CEO）と周囲温度（T_a）の関係を示しています。暗電流は温度とともに指数関数的に増加します。これは半導体接合の基本的な特性です。設計者は、高温環境でのこの増加したリーク電流を考慮に入れる必要があります。なぜなら、オフ状態の信号レベルやノイズフロアに影響を与える可能性があるからです。図2は、周囲温度の上昇に伴う最大許容コレクタ損失（P_C）のディレーティングを示しています。100 mWの定格は25°C以下でのみ有効です。この温度を超えると、熱的過負荷を防ぐために最大損失を直線的に低減しなければなりません。

3.2 動的・応答特性

図3は、立上り時間と立下り時間（T_r、T_f）が負荷抵抗（R_L）によってどのように影響を受けるかを示しています。スイッチング時間は負荷抵抗が大きくなるほど増加します。これは高速検出回路を設計する際の重要な考慮事項であり、所望の帯域幅を達成するためには、より高い電流消費という代償を伴うものの、より小さな負荷抵抗が必要になる場合があります。図4は、相対コレクタ電流が放射照度（E_e）の関数としてどのように変化するかを示しています。動作領域では一般的に線形関係にあり、出力電流が入射光パワーに直接比例することを確認しており、これはアナログセンシング用途に理想的です。

3.3 分光感度特性

図5と図6は、デバイスの分光感度に関連しています。図5は感度の角度依存性を示す極座標図であり、出力がデバイスの軸に対する入射光の角度によってどのように変化するかを示しています。これは光学システムにおけるアライメントにとって重要です。図6の分光分布曲線は、LTR-3208が赤外光に最も感度が高く、ピーク応答度が特定の波長（シリコンフォトトランジスタに典型的な近赤外領域であることが示唆されます）で発生することを示しています。可視光に対する応答は無視できるほど小さいため、多くの場合、室内の環境光の影響を受けません。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ外形寸法

LTR-3208は、3本のリード線を持つ標準的なプラスチックパッケージを使用しています。パッケージには、入射光を感光半導体領域に集光するための成形レンズが上部に組み込まれています。重要な寸法には、ボディサイズ、リード間隔、フランジ下の樹脂の突出量（最大1.5mmと規定）などが含まれます。リード間隔は、リード線がパッケージ本体から出る点で測定されます。特に断りのない限り、すべての寸法はミリメートル単位で、標準公差は±0.25mmです。物理的な外形と寸法は、PCBフットプリント設計および組立内での適切なフィットを確保するために不可欠です。

4.2 極性識別とピン配置

デバイスには3つのピンがあります：コレクタ、エミッタ、ベース（多くの場合未接続、または一部の構成ではバイアス用に使用）。このパッケージのフォトトランジスタの典型的なピン配置は以下の通りです：上面（レンズ側）からデバイスを見て、平らな面または切り欠きが特定の方向を向いている場合、左から右へのピンは通常、エミッタ、コレクタ、ベースです。ただし、設計者は接続エラーを避けるために、常にデータシートの機械図からピン配置を確認する必要があります。パッケージには、ピン1を識別するためのマーキングやインデントがある場合もあります。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

5.1 リフローはんだ付けパラメータ

この抜粋では特定のリフロープロファイルの詳細は提供されていませんが、絶対最大定格は重要な制約を示しています：リード線は、パッケージ本体から1.6mmの位置で測定した場合、はんだ付け温度260°Cを最大5秒間耐えることができます。これは、標準的な鉛フリーリフロープロファイル（ピーク温度は通常245-260°C付近）が許容可能であることを意味しますが、液相線以上の時間を制御してパッケージの損傷を防ぐ必要があります。プラスチック封止デバイスのはんだ付けには、JEDECまたはIPC規格に従うことを推奨します。

5.2 取り扱いおよび保管上の注意

デバイスは、半導体接合が静電気によって損傷する可能性があるため、標準的なESD（静電気放電）対策を講じて取り扱う必要があります。保管は、低湿度環境で規定の温度範囲-55°Cから+100°C内で行ってください。レンズは清潔に保ち、組立中に傷、汚染物質、エポキシの滲みが付着しないように注意してください。これらは光学的性能と感度に大きな影響を与える可能性があります。

6. アプリケーション提案

6.1 典型的なアプリケーション回路

最も一般的な回路構成はスイッチモードです。フォトトランジスタのコレクタは、プルアップ抵抗（R_CC）を介して正の電源電圧（V_L）に接続されます。エミッタはグランドに接続されます。出力信号はコレクタノードから取り出されます。光がない場合、デバイスはオフ状態であり、出力はV_CCにプルアップされてハイレベルになります。十分な赤外光がデバイスに当たると、デバイスはオンになり、出力電圧をV_CE(SAT)に向かってローにプルダウンします。R_Lの値は、性能曲線に示されているように、出力振幅、電流消費、スイッチング速度を決定します。

6.2 設計上の考慮事項

主要な設計要因は以下の通りです：バイアス：動作V_CEが最大定格（30V）内であることを確認してください。負荷抵抗の選択：必要なスイッチング速度（図3参照）、出力電圧振幅、および消費電力に基づいてR_Lを選択してください。R_Lが小さいほど速度は速くなりますが、電流は大きくなります。光学的アライメント：IRエミッタと検出器の間の光路を設計する際は、角度感度図（図5）を考慮してください。環境光耐性：デバイスは主にIRに感度がありますが、強い環境IR光源（太陽光や白熱電球など）は誤動作の原因となる可能性があります。変調されたIR信号と同期検波を使用することで、ノイズ耐性を大幅に向上させることができます。温度影響：温度とともに暗電流が増加することを考慮し、検出回路でしきい値調整が必要になる場合があります。

7. 技術比較と差別化

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は内部利得を提供し、同じ光入力に対してはるかに大きな出力電流が得られるため、追加の増幅段が不要になることがよくあります。他のフォトトランジスタと比較して、LTR-3208の差別化点は、パッケージ（高感度のための一体型レンズ）、感度選択を可能にする定義された電流ビン、およびバランスの取れた電気的定格（30V V_CEO、100mW P_D）の特定の組み合わせにあります。低いV_CE(SAT)も、クリーンなデジタルスイッチングにとって有利な特性です。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: I_C(ON)?

の異なるビン（C、D、E、F）の目的は何ですか？ A: ビニングは、デバイスを感度によって分類します。ビンFのデバイスは最も高い最小出力電流（最も感度が高い）を持ち、ビンCのデバイスは最も低い感度を持ちます。これにより、システムに必要な信号レベルに合った部品を選択でき、予測可能な信号範囲を提供することで一貫性を確保し、回路設計を簡素化する可能性があります。

Q: このセンサーを日光下で使用できますか？

A: 直射日光には大量の赤外線放射が含まれており、センサーを飽和させ、常にオン状態を引き起こす可能性が高いです。屋外使用や明るい環境での使用では、意図したIR信号と環境IRノイズを区別するために、光学フィルタ（可視光を遮断するIR透過フィルタ）および/または信号変調技術の使用を強く推奨します。

Q: 立上り時間と立下り時間はどのように解釈すればよいですか？

A: これらは出力が状態を変化させる速度を指定します。10μsの立上り時間とは、光が当たったときに出力が最終値の10％から90％に変化するのに約10マイクロ秒かかることを意味します。これは、正確に検出できる変調光の最大周波数を制限します。単純な物体検出には、この速度で十分です。高速通信では、制限要因となる可能性があります。

9. 実用的な使用例

シナリオ：プリンター内の用紙検出LTR-3208（適切な感度ビンから）と赤外線LEDが用紙通路の反対側に配置され、用紙がビームを遮るようにアライメントされます。フォトトランジスタは、5Vへの10kΩプルアップ抵抗を持つスイッチ回路で構成されます。用紙がない場合、IR光がセンサーに当たり、センサーをオンにして出力ピンを低電圧（約0.2V）にプルダウンします。用紙が通過すると、光を遮断し、フォトトランジスタをオフにして、出力ピンが5Vにプルアップされてハイレベルになります。このデジタル信号はマイクロコントローラに送られ、用紙の存在とエッジ検出を追跡します。LTR-3208のレンズはIRビームを集光するのに役立ち、信頼性を向上させ、エミッタと検出器の間のギャップをわずかに大きくすることを可能にします。

10. 動作原理

フォトトランジスタは、ベース領域が光にさらされているバイポーラ接合トランジスタです。半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーを持つ入射光子は、ベース・コレクタ接合で電子-正孔対を生成します。これらの光生成キャリアはベース電流に相当します。トランジスタの電流増幅率（ベータまたはh_FE）により、この小さな光電流が増幅され、はるかに大きなコレクタ電流が得られます。このデバイスは、基本的にフォトダイオードの光検出機能とトランジスタの電流利得を単一パッケージに組み合わせています。一体型レンズは、より多くの光を有効半導体領域に集中させ、実効的なベース電流を増加させ、それによって出力信号を増加させる役割を果たします。

11. 技術トレンド

フォトトランジスタのような個別光電子部品の一般的なトレンドは、小型化、高集積化、および性能向上に向かっています。これには、現代の高密度PCB設計の要求を満たすための、より小さなフットプリントと低いプロファイルを持つ表面実装パッケージの開発が含まれます。また、より明確で一貫性のある性能パラメータを持つデバイスへの移行も進んでおり、エンドアプリケーションでのキャリブレーションの必要性を減らしています。一部の高度なアプリケーションでは、フォトトランジスタがオンチップ増幅および信号調整回路と統合され、より完全なパッケージ内センサーソリューションが作成されていますが、LTR-3208のような個別部品は、そのシンプルさ、信頼性、および広範な標準的なセンシングタスクにおけるコスト効率の良さから、依然として非常に重要です。