LTR-306 フォトトランジスタ データシート - サイドルッキングパッケージ - コレクタ電流最大2.4mA - 電圧30V - 技術文書

1. 製品概要

LTR-306は、サイドルッキングプラスチックパッケージに収められたシリコンNPNフォトトランジスタです。この部品は赤外線放射を検出し、入射光をコレクタ端子で電流に変換するように設計されています。主な機能は、様々な電子回路における光センサーとして、光制御スイッチまたはアナログ光強度センサーとして動作することです。サイドルッキングパッケージの向きは重要な特徴であり、感光部がリード線の方向に対して垂直に向いていることを意味します。これは、光源がPCBの側面に配置されるアプリケーションに最適です。

このデバイスの核心的な利点は、広いコレクタ電流動作範囲を含み、異なる感度要件にわたる設計の柔軟性を提供します。集積レンズは、入射赤外光を活性半導体領域に集光することで感度を向上させるように設計されています。さらに、低コストのプラスチックパッケージの使用により、必須の性能パラメータを犠牲にすることなく、コスト効率が重要な大量消費財および産業用アプリケーションにおいて経済的な選択肢となっています。

LTR-306のターゲット市場は、信頼性の高い赤外線検出を必要とする幅広いアプリケーションを包含しています。これには、物体検出・計数システム、スロットセンサー（例：プリンター、自動販売機）、テープエンドセンサー、近接検知、産業用自動化機器などが含まれますが、これらに限定されません。その堅牢な設計と規定された性能は、単純な電子システムから複雑な電子システムへの統合に適しています。

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応力限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。最大損失電力は、周囲温度（T_A）25°Cにおいて100 mWです。コレクタ-エミッタ電圧（V_CE）は30 Vを超えてはならず、逆エミッタ-コレクタ電圧（V_EC）は5 Vに制限されます。デバイスは周囲温度範囲-40°Cから+85°Cでの動作に対して定格されており、-55°Cから+100°Cの温度で保管できます。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、これは波はんだ付けまたはリフローはんだ付けプロセスの標準要件です。

2.2 電気的・光学的特性

すべての電気的および光学的パラメータは、T_A=25°Cで規定されており、性能比較の基準を提供します。

• コレクタ-エミッタ降伏電圧（V_(BR)CEO）：最小30V（I_C= 1mA, E_e=0）。これは、光がない状態で接合が降伏する電圧です。
• エミッタ-コレクタ降伏電圧（V_(BR)ECO）：最小5V（I_E= 100μA, E_e=0）。このパラメータは逆バイアス条件において重要です。
• コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(SAT)）：標準0.1V、最大0.4V（I_C= 100μA, E_e=1 mW/cm²）。この低電圧は、トランジスタが完全にオン状態の際の良好なスイッチング性能を示しています。
• 立上り時間（T_r）および立下り時間（T_f）：各最大20 μs（V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ）。これらのパラメータは、光パルスに対するフォトトランジスタのスイッチング速度を定義します。
• コレクタ暗電流（I_CEO）：最大100 nA（V_CE= 10V, E_e=0）。これは光がないときのリーク電流であり、低照度感度と信号対雑音比にとって重要なパラメータです。

3. ビニングシステムの説明

LTR-306は、主要パラメータであるオン状態コレクタ電流（I_C(ON)）に対してビニングシステムを採用しています。ビニングは、規定範囲内で測定された性能に基づいて部品をグループ分けする品質管理および選別プロセスです。これにより、エンドユーザーに対して一貫性が確保されます。デバイスは標準条件（V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ=940nm）でテストされます。

ビンはAからFまでラベル付けされており、それぞれがI_C(ON):

• の特定の範囲を表します。 ビン A：0.20 mA から 0.60 mA
• ビン B：0.40 mA から 1.08 mA
• ビン C：0.72 mA から 1.56 mA
• ビン D：1.04 mA から 1.80 mA
• ビン E：1.20 mA から 2.40 mA
• ビン F：最小 1.60 mA（提供データでは上限は規定されていません）

このシステムにより、設計者は回路に必要な感度に一致するビンを選択できます。例えば、リレーやLEDを直接駆動するために高い出力電流を必要とする回路はビンEまたはFを指定するかもしれませんが、低電力検知回路は消費電力を最小限に抑えるためにビンAまたはBを使用するかもしれません。

4. 性能曲線分析

データシートには、主要パラメータが動作条件とともにどのように変化するかを示すいくつかの代表的な特性曲線が含まれています。これらは、単一点の仕様を超えたデバイスの挙動を理解するために不可欠です。

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。-40°Cではピコアンペアの範囲ですが、120°Cでは約100 μAまで上昇する可能性があります。この特性は高温アプリケーションにとって重要であり、増加する暗電流はオフセットまたは雑音源として作用し、センサーの実効感度とダイナミックレンジを低下させる可能性があります。

4.2 コレクタ損失電力 vs. 周囲温度 (図2)

このグラフは、周囲温度が上昇するにつれて、許容される最大損失電力がどのように低下するかを示しています。デバイスは25°Cで100 mWを損失できますが、この定格はより高い温度では熱暴走を防止し信頼性を確保するために直線的に低減する必要があります。この曲線は、アプリケーション設計における熱管理に必要なデータを提供します。

4.3 立上り・立下り時間 vs. 負荷抵抗 (図3)

このプロットは、スイッチング速度と負荷抵抗の間のトレードオフを示しています。立上り時間と立下り時間（T_r, T_f）は、負荷抵抗（R_L）の値が増加するにつれて著しく増加します。1kΩの負荷では時間は約20μsですが、10kΩの負荷では150μsを超える可能性があります。設計者は、高速応答時間の必要性と望ましい出力電圧振幅または電流レベルをバランスさせるためにR_Lを選択する必要があります。

4.4 相対コレクタ電流 vs. 照度 (図4)

これは基本的な伝達特性です。V_eが5Vに保持されている場合、コレクタ電流は低い範囲（0-2 mW/cm²）の入射光照度（E_CE）に対して比較的線形であることを示しています。この線形領域は、デバイスがアナログ光測定に使用できる場所です。より高い照度レベルでは、応答は飽和し始める可能性があります。

4.5 感度特性図 (図5)

この極座標図は、フォトトランジスタの角度感度を示しています。相対感度は入射光の角度に対してプロットされています。デバイスが感度が最大になる特定の視野角（通常は軸上、0°）を持っていることを示しています。光源が軸から外れるにつれて感度は低下します。この図は、最終アプリケーションにおける機械的な位置合わせにおいて、光源とセンサー間の最適な結合を確保するために不可欠です。

5. 機械的・パッケージ情報

LTR-306はプラスチック製のサイドルッキングパッケージを使用しています。寸法はデータシートに提供されており、すべての測定値はミリメートル（括弧内はインチ）です。主要な寸法公差は、特に指定がない限り通常±0.25mmです。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、これはPCBフットプリント設計にとって重要です。パッケージには、光学的集光効率を向上させるためにプラスチックに成形されたレンズが含まれています。サイドルッキングの向きは、活性感光領域が部品の上面ではなく側面にあることを意味します。明確な極性識別（エミッタおよびコレクタピン）がパッケージ図面に提供されており、これは正しい回路基板実装に不可欠です。

6. はんだ付け・実装ガイドライン

このデバイスは標準的なPCB実装プロセスに適しています。絶対最大定格では、リード線はパッケージ本体から1.6mm（0.063インチ）の位置で測定した場合、はんだ付け温度260°Cで5秒間耐えられると規定されています。この定格は、典型的な波はんだ付けおよびリフローはんだ付けプロファイルと互換性があります。プラスチックパッケージは一般的に堅牢ですが、該当する場合は湿気感受性処理に関する標準的なJEDECまたはIPCガイドラインに従うことが推奨されます。はんだ付け中は、パッケージに過度の熱応力をかけないように注意する必要があります。実装後は、プラスチック材料と互換性のある溶剤で洗浄を行う必要があります。保管に関しては、規定の範囲-55°Cから+100°Cを遵守し、部品は通常、乾燥剤入りの防湿バッグで供給されます。

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

• 物体検出/遮断：赤外線LEDとペアで使用し、ビームを遮る物体の有無を検出します。プリンター、コピー機、自動販売機、産業用カウンターで一般的です。
• 近接検知：近くの物体からの赤外線の反射を検出します。
• 光バリア/スロットセンサー：テープ、紙、その他の材料の端を検出します。
• エンコーダー：光学式回転または直線エンコーダーで、コードホイールまたはストリップ上のパターンを読み取るために使用されます。
• 簡易リモコン受信機：基本的な赤外線コマンド検出用（ただし、複雑なプロトコルには専用の受信モジュールがより一般的です）。

7.2 設計上の考慮点

• バイアス：フォトトランジスタは、スイッチモード（プルアップ抵抗付き）またはアナログモード（コモンエミッタ増幅器構成）の2つの一般的な構成で使用できます。負荷抵抗（R_L）の値は、出力電圧/電流と応答速度の両方に重大な影響を与えます（図3参照）。
• 環境光耐性：変化する環境光（例：日光、室内照明）のある環境で確実に動作させるためには、赤外線光源の変調と、フォトトランジスタ信号の対応するフィルタリングまたは復調がしばしば必要です。
• レンズと位置合わせ：赤外線エミッタとフォトトランジスタの間の適切な機械的位置合わせは、そのサイドルッキングの向きと角度感度パターン（図5）を考慮して、信号強度と信頼性を最大化するために不可欠です。
• 温度影響：設計は、特に屋外や過酷な環境では、暗電流（図1）と感度の温度変化を考慮に入れる必要があります。
• 電気的雑音：感度の高いアナログ回路では、高インピーダンスのフォトトランジスタノードでの雑音の拾い込みを防ぐために、シールドと適切な接地が必要になる場合があります。

8. 技術比較・差別化

標準的なフォトダイオードと比較して、LTR-306のような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高い出力電流をもたらします。これにより、多くの単純な検出回路で外部のトランスインピーダンスアンプが不要になり、部品点数とコストが削減されます。他のフォトトランジスタと比較して、LTR-306の具体的な利点は、サイドルッキングパッケージ（特定の光路に適した独特の機械的形状）、広いコレクタ電流ビニング（柔軟性を提供）、および感度向上のための集積レンズにあります。規定された立上り/立下り時間と電圧定格により、中速アプリケーション向けの堅牢な汎用部品となっています。

9. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

Q: ビンコード（A, B, Cなど）は私の設計にとって何を意味しますか？

A: ビンコードは、デバイスが標準テスト条件下で生成することが保証されるコレクタ電流の範囲を示します。消費電力を考慮しながら、下流の回路（例：コンパレータ、マイクロコントローラのADC）に十分な信号電流を提供するビンを選択してください。高いビン（E, F）はより多くの電流を与えますが、わずかに高い暗電流を持つ可能性があります。

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、別のIR光源の検出に使用できなくします。屋外使用では、光学フィルタリング（可視光を遮断するIR透過フィルタ）および/または同期検出付きの変調光源が必須です。

Q: なぜ立上り/立下り時間は負荷抵抗に依存するのですか？

A: フォトトランジスタの速度は、その接合容量と負荷抵抗（R_L）によって形成されるRC時定数によって制限されます。より大きなR_Lはより大きな時定数を作り出し、コレクタでの電圧変化を遅くし、したがって立上り時間と立下り時間を増加させます。より高速な応答を得るには、より小さなR_Lを使用しますが、これにより出力電圧振幅も減少します。

Q: 感度特性図はどのように解釈すればよいですか？

A: この図は、センサーが異なる角度から来る光に対してどのように応答するかを示しています。値1.0（または100%）は通常0°（レンズにまっすぐ）です。この曲線は、光源がずれた場合に信号がどれだけ減少するかを示しています。これを製品の機械的筐体と位置合わせ機能の設計に使用してください。

10. 実践設計例

シナリオ: プリンター用紙送りセンサーの設計赤外線LEDが紙送り経路の片側に配置され、LTR-306がちょうど反対側に配置され、ビームが形成されます。紙がないときは、IR光がフォトトランジスタに当たり、オンにしてそのコレクタ電圧を低くします。紙が通過すると、ビームを遮断し、フォトトランジスタがオフになり、そのコレクタ電圧が高くなります（プルアップ抵抗を介して）。この電圧遷移はマイクロコントローラによって検出されます。

設計手順：

1. 適切なビン（例：ビンC）を選択し、予想される動作温度範囲全体で選択したプルアップ抵抗の電圧を確実に駆動するのに十分な強い電流変化を確保します。

2. 負荷/プルアップ抵抗（R_L）を選択します。5V電源で4.7kΩの抵抗は良好な電圧振幅を与えます。図3を参照して、結果として得られる約100μsの応答時間が紙の速度に対して十分に速いことを確認してください。

3. LEDとLTR-306が感度特性図（図5）の0°軸に従って位置合わせされるようにホルダーを機械的に設計します。サイドルッキングパッケージは、両方の部品をPCBに平らに取り付け、互いに向き合うようにできるため、これを簡素化します。

4. センサーを一定の環境IR光に対して耐性を持たせるために、変調（例：1kHzの矩形波）を備えたIR LEDドライバを実装します。マイクロコントローラは、この変調と同期してセンサー信号を読み取ります。

11. 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。LTR-306（NPN型）では、十分なエネルギー（約940nmの赤外線）を持つ入射光子がベース-コレクタ接合で吸収され、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-コレクタ接合の電界によって分離されます。結果として生じる光電流は、トランジスタのベース電流として作用します。トランジスタの電流利得（ベータ/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生成されます。この内部増幅が、フォトダイオードとの主な違いです。コレクタ電流は主に、入射光の強度とデバイスの利得に比例します。

12. 技術トレンド

LTR-306のようなフォトトランジスタは、単純な光検知のための成熟したコスト効率の高い技術を代表しています。光エレクトロニクスの現在のトレンドには、フォトトランジスタとオンチップ増幅および信号調整回路を統合して、デジタル出力センサーまたは改善された直線性と温度補償を備えたアナログセンサーを作成することが含まれます。さらに小型化と、さらに小さなフットプリントを持つ表面実装パッケージへの移行もあります。より高速でより精密なアプリケーションでは、外部トランスインピーダンスアンプまたは専用の光学ICを備えたフォトダイオードがしばしば好まれます。しかし、基本的で低コスト、中速の検出タスクでは、その単純さ、堅牢性、および低い部品点数により、個別のフォトトランジスタは依然として非常に重要です。