LTR-5888DHP1 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 - Vce 30V - Pc 100mW - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTR-5888DHP1は、赤外線（IR）検出アプリケーション向けに設計された高感度フォトトランジスタです。その中核機能は、入射する赤外光を電流に変換することです。主な特徴は、可視光波長を減衰または遮断するように設計された特殊なダークグリーンのプラスチックパッケージです。この設計により、周囲の可視光源からの干渉を最小限に抑え、近接検知、物体検出、IRリモコン受信機など、対象信号が純粋に赤外スペクトルにあるアプリケーションに特に適しています。

本デバイスはコレクタ電流に対して広い動作範囲を提供し、高速なスイッチング時間を特徴とし、IR照射の変化に素早く応答することができます。この光学フィルタリング、感度、速度の組み合わせにより、信頼性の高いIR検出を必要とする様々な電子システムにおいて汎用性の高い部品となっています。

2. 詳細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のある限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• 電力損失（P_C）：100 mW。これは、周囲温度（T_A）25°Cにおいて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（光感受領域）が開放状態の時にコレクタ端子とエミッタ端子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 から +85°C。デバイスが正しく機能するように設計された周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲：-55°C から +100°C。非動作時の保存温度範囲です。
• リードはんだ付け温度：パッケージ本体から1.6mmの距離で、5秒間260°C。これは、パッケージ損傷を防ぐための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で規定され、デバイスの代表的な性能を定義します。

• 降伏電圧： V_(BR)CEO（最小30V）およびV_(BR)ECO（最小5V）。これらは、無照射（E_e= 0 mW/cm²）で特定の試験電流下で接合部が降伏する電圧です。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(SAT)）：I_C= 100µA、E_e= 1 mW/cm²で最大0.4V。これは、照射下でトランジスタが完全にオン（飽和）状態にあるときのトランジスタ両端の電圧降下です。効率的なスイッチングのためには、低いV_CE(SAT)が望ましいです。
• スイッチング時間：立上り時間（T_r）は標準15 µs、立下り時間（T_f）は標準18 µsで、V_CC=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩの条件下で測定されます。これらの時間は、パルス光入力に対して出力がどれだけ速く応答できるかを決定します。
• コレクタ暗電流（I_CEO）：無照射、V_CE=10Vで最大100 nA。これは、デバイスが完全な暗闇にあるときに流れるわずかなリーク電流です。暗電流が低いほど、低照度検出における信号対雑音比が優れていることを示します。
• コレクタ電流比（R）：0.8 から 1.25。このパラメータは、2つのフォトトランジスタまたはチャネル間のマッチングを規定している可能性が高く、差動検出アプリケーションで重要です。

3. ビニングシステムの説明

LTR-5888DHP1は、オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）に基づく包括的なビニングシステムを採用しています。ビニングは、類似した性能特性を持つ部品をグループ化する品質管理プロセスです。2つのビニングテーブルが提供されています：1つは製造設定範囲用、もう1つは最終保証範囲用です。

パラメータI_C(ON)は、標準化された条件（V_CE= 5V、E_e= 1 mW/cm²）下での平均コレクタ電流として定義されます。デバイスはAからHのラベルが付けられたビンに仕分けされ、それぞれに特定のI_C(ON)範囲（例：製造設定用ビンA：0.20mA から 0.26mA）があります。各ビンは異なる色マーキング（赤、黒、緑、青、白、紫、黄、オレンジ）に関連付けられています。これにより、設計者は特定の回路要件に合わせて感度が厳密に制御されたデバイスを選択でき、一貫したシステム性能を確保できます。例えば、正確なトリガー閾値を必要とするアプリケーションでは、単一の狭いビンからのデバイスを使用することが有益です。

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視覚的に理解するためのいくつかの代表的な特性曲線が含まれています。

• 図1：コレクタ暗電流 vs. 周囲温度：このグラフは、I_CEOが温度上昇とともに指数関数的に増加する様子を示しています。これは高温アプリケーションにおける重要な考慮事項であり、増加する暗電流が微弱な光信号をマスクする可能性があります。
• 図2：コレクタ電力損失 vs. 周囲温度：このデレーティング曲線は、最大許容電力損失（P_C）が周囲温度の上昇とともに減少することを示しています。85°Cでは、デバイスが扱える最大電力は、25°Cでの定格100mWよりも大幅に少なくなります。設計者は安全な熱動作を確保するためにこの曲線を使用する必要があります。
• 図3：立上り・立下り時間 vs. 負荷抵抗：このプロットは、スイッチング時間（T_rおよびT_f）が負荷抵抗（R_L）が高いほど増加することを示しています。最大速度を必要とするアプリケーションでは、R_Lの値を低く選択する必要がありますが、これは出力電圧振幅に影響を与えます。
• 図4：相対コレクタ電流 vs. 放射照度：これはフォトトランジスタの基本的な伝達関数です。コレクタ電流が、ある範囲内で入射赤外放射照度（E_e）に比例して直線的に増加することを示しています。この線の傾きは、デバイスの応答度または感度を表します。

5. 機械的・パッケージ情報

デバイスは特殊なダークグリーンのプラスチックパッケージを使用しています。パッケージ寸法はデータシートに記載されており、すべての測定値はミリメートル単位です。主な寸法に関する注記には、特に指定がない限り±0.25mmの公差、フランジ下の樹脂突出最大1.5mm、およびリードがパッケージから出る点で測定されたリード間隔が含まれます。ダークグリーン材料は、可視光を遮断してIR専用性能を向上させるという光学フィルタリング特性において重要です。

6. はんだ付け・実装ガイドライン

提供されている主なガイドラインは、はんだ付け時の熱ストレスに関連しています。リードは、パッケージ本体から1.6mm（0.063インチ）の点で測定して、最大5秒間260°Cの温度にさらすことができます。この仕様は、安全なリフローはんだ付けプロファイルを定義する上で重要です。この時間-温度限界を超えると、半導体ダイ、ワイヤーボンド、またはプラスチックパッケージ自体に内部損傷を引き起こし、即時故障や長期信頼性の低下につながる可能性があります。特に記載がない限り、湿気敏感デバイス（MSL）の取り扱いに関する標準的な業界慣行にも従う必要があります。

7. アプリケーション推奨事項

7.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 赤外線リモコン受信機：テレビリモコン、エアコンなどからの変調IR信号を検出します。
• 近接・物体検出：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、ロボティクスなどで物体の存在を感知するために使用されます。
• 工業用カウント・仕分け：IRエミッタと組み合わせて、コンベアベルト上の物体を検出します。
• 光学エンコーダ：位置や速度測定のために回転ディスク上のスリットやマークを検知します。
• 煙感知器：一部の光学チャンバー設計において、煙粒子によって散乱された光を検出するために使用されます。

7.2 設計上の考慮点

• バイアス：フォトトランジスタは、スイッチ（飽和）モードまたはリニア（能動）モードのいずれかで使用できます。スイッチモード（プルアップ抵抗付きエミッタ接地構成）では、デジタル出力を提供します。リニアモード（多くの場合オペアンプと組み合わせて）では、光強度に比例したアナログ出力を提供します。
• 負荷抵抗（R_L）：コレクタ回路におけるR_Lの値は重要な設計選択です。小さいR_Lは高速スイッチング（図3参照）を提供しますが、所定の光電流に対して出力電圧振幅は小さくなります。大きいR_Lは大きな電圧振幅を与えますが、応答は遅くなります。
• 環境光除去：ダークグリーンパッケージが役立ちますが、強い環境IR（例：太陽光、白熱電球）がある環境では、追加の電気的フィルタリングが必要になる場合があります。変調IR光源と復調受信回路を使用することは、非常に効果的な技術です。
• 熱管理：図2（デレーティング曲線）を参照して、予想される最大動作周囲温度においてデバイスの電力損失が安全限界内に収まるようにします。
• ビニング選択：必要な信号レベルと予想されるIR光源強度に基づいて、適切な感度ビン（A-H）を選択し、回路性能と一貫性を最適化します。

8. 技術比較・差別化

LTR-5888DHP1の主な差別化要因は、可視光抑制のための専用ダークグリーンパッケージです。透明または非フィルタリングのフォトトランジスタと比較して、周囲の可視光が強い環境では誤動作の可能性が低く、優れた性能を発揮します。比較的高いV_CEO（30V）、高速スイッチング速度（µs範囲）、および感度の詳細なビニングシステムの組み合わせにより、幅広いIRセンシングタスクにおいて堅牢で設計しやすい選択肢となっています。包括的なビニングにより、複数のセンサーや非常に一貫したトリガーポイントを必要とするアプリケーションでの精密なマッチングが可能です。

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: 可視光フィルターとして機能します。可視スペクトル（約400-700nm）の光を減衰させながら、赤外波長（通常>700nm）を半導体チップに通過させます。これにより、IR専用アプリケーションにおける信号対雑音比が向上します。

Q: 2つの異なるビニングテーブルをどのように解釈すればよいですか？

A: 製造設定テーブルは、製造時にデバイスを仕分けるために使用されるより狭い内部範囲を示しています。オン状態範囲テーブルは、顧客が信頼できるより広い保証仕様範囲を示しています。単一の製造ビンからのデバイスは、単に広い保証範囲を満たすデバイスよりも一貫した性能を持ちます。

Q: このデバイスを直射日光下で使用できますか？

A: パッケージは可視光をフィルタリングしますが、太陽光には大量の赤外線放射が含まれています。これによりセンサーが飽和する可能性があります。屋外使用や強い環境IRがある場合には、光学的シールド、電気的フィルタリング、または変調IR光源システムの使用を強く推奨します。

Q: リードはんだ付け温度/時間を超えるとどうなりますか？

A: 不可逆的な損傷を引き起こす可能性があります：パッケージの溶融、内部ワイヤーボンドの破断、または半導体特性の劣化です。本体から1.6mmの位置で、常に5秒間260°Cのガイドラインに従ってください。

10. 実践的設計ケーススタディ

シナリオ：自動石鹸ディスペンサー用近接センサーの設計

目標は、ノズルの約5-10cm下に置かれた手を検出することです。IR LEDエミッタはLTR-5888DHP1検出器の反対側に配置され、両方とも検知ゾーンに向いています。

設計ステップ：

1. 回路構成：フォトトランジスタをエミッタ接地スイッチモードで使用します。エミッタをグランドに接続し、コレクタを電源電圧（例：5V）に接続されたプルアップ抵抗（R_L）に接続します。出力信号はコレクタノードから取り出します。

2. 部品選択：フォトトランジスタのピーク感度に合わせた波長のIR LEDを選択します。適切な電圧振幅を提供するR_L値（例：10kΩ）を選択します。予想される反射IR強度に基づいて、中程度の感度のためにビンDまたはEのフォトトランジスタを選択します。

3. 変調（オプションだが推奨）：環境光を除去するために、IR LEDをパルス電流（例：38kHz）で駆動します。フォトトランジスタ出力の後に、同じ周波数に同調したバンドパスフィルターまたは専用のIR受信ICを配置します。これにより、システムは一定の環境IRの影響を受けなくなります。

4. 閾値検出：手がIR光を検出器に反射すると、コレクタの出力電圧が低下します。コンパレータまたはマイクロコントローラのADCを使用してこの電圧変化を検出し、石鹸ポンプを作動させることができます。

5. 考慮点：検出閾値を設定する際には、温度による暗電流の増加（図1）を考慮に入れてください。デバイスの電力損失が図2に従って限界内にあることを確認します。

11. 動作原理

フォトトランジスタは、基本的にはベース領域が光にさらされ、電気端子に接続されていないバイポーラ接合トランジスタ（BJT）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。逆バイアスされたベース-コレクタ接合の電界がこれらの電荷キャリアを掃き出し、光電流を生成します。この光電流がトランジスタのベース電流として機能します。トランジスタの電流増幅率（βまたはh_FE）により、結果として生じるコレクタ電流は光電流に増幅率を乗じたもの（I_C≈ β * I_photo）になります。この内部増幅が、フォトトランジスタに単純なフォトダイオードよりもはるかに高い感度を与える理由です。ダークグリーンパッケージ材料はほとんどの可視光光子を吸収しますが、赤外光子は通過してシリコンに吸収され、信号電流を生成します。

12. 技術トレンド

センシングのための光エレクトロニクス分野は進化を続けています。LTR-5888DHP1のようなデバイス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、増幅器、およびデジタルロジック（シュミットトリガーや変調/復調器など）を単一パッケージ（例：IR受信モジュール）に組み合わせた統合ソリューションへの移行。

小型化：コンパクトな民生電子機器の要求を満たすための、より小さな表面実装パッケージでのフォトトランジスタの開発。

フィルタリングの強化：チップまたはパッケージ上に直接堆積されたより洗練された干渉フィルターを使用して、より鋭い波長選択性を提供し、不要な環境光源の除去を改善します。

アプリケーション特化型最適化：汎用部品としてではなく、非常に特定のアプリケーション（例：データ通信のための特定のパルス検出、精密測定のための非常に低い暗電流）のためにデバイスが特性評価およびビニングされることが増えています。