Техническая документация на фотодиод LTR-C155DD-G - Пиковая длина волны 940 нм - Обратное напряжение 5В

1. Обзор продукта

LTR-C155DD-G — это дискретный инфракрасный фотодиод, предназначенный для применений в ближнем инфракрасном спектре. Он входит в обширное семейство оптоэлектронных устройств, используемых в системах, требующих надежного детектирования ИК-сигналов. Его основная функция — преобразование падающего инфракрасного света в электрический ток, что позволяет использовать его в качестве приемного или сенсорного элемента.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Этот компонент предлагает несколько ключевых преимуществ для разработчиков. Он обладает высоким отношением сигнал/шум, что критически важно для выделения валидных ИК-команд из фонового светового шума в таких средах, как гостиные или офисы. Устройство совместимо с автоматическим монтажным оборудованием и процессами инфракрасной пайки оплавлением, что делает его пригодным для высокообъемных автоматизированных производственных линий. Его основные целевые рынки включают потребительскую электронику для систем дистанционного управления, системы безопасности и сигнализации для обнаружения движения или прерывания луча, а также различные приложения, связанные с коротко-дальней ИК-передачей данных.

1.2 Особенности

• Соответствует директивам RoHS и требованиям к экологичным продуктам.
• Оснащен корпусом с верхним обзором и прозрачной плоской линзой для стабильной угловой характеристики.
• Поставляется в 8-мм ленте на катушках диаметром 7 дюймов для автоматизированной сборки.
• Совместим с автоматическим монтажным оборудованием (pick-and-place).
• Выдерживает стандартные процессы инфракрасной пайки оплавлением.
• Выполнен в стандартном форм-факторе EIA.

1.3 Применения

• ИК-приемные модули для пультов дистанционного управления (ТВ, кондиционеры, ТВ-приставки).
• Печатные ИК-датчики для определения приближения или обнаружения объектов.
• Системы охранной сигнализации с использованием ИК-лучей.
• Простые ИК-каналы беспроводной передачи данных.

2. Технические параметры: Подробное объективное толкование

Электрические и оптические характеристики определяют рабочие границы и производительность фотодиода. Понимание этих параметров необходимо для правильного проектирования схемы и обеспечения надежной работы в целевом применении.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Они не предназначены для непрерывной работы.

• Рассеиваемая мощность (Pd):Максимум 150 мВт. Это общая мощность, которую устройство может рассеивать в виде тепла, в основном от обратного тока смещения и любого фототока при высокой освещенности.
• Обратное напряжение (VR):Максимум 30 В. Приложение напряжения выше этого значения в обратном направлении может вызвать пробой и повредить переход фотодиода.
• Диапазон рабочих температур (TA):От -40°C до +85°C. Гарантируется работа устройства в этом диапазоне температур окружающей среды.
• Диапазон температур хранения (Tstg):От -55°C до +100°C. Устройство может храниться без эксплуатации в этих пределах.
• Условия инфракрасной пайки:Выдерживает пиковую температуру 260°C в течение 10 секунд, что соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением.

2.2 Электрические и оптические характеристики (TA=25°C)

Это типичные и гарантированные параметры производительности при указанных условиях испытаний.

• Прямое напряжение (Vf):От 0.4В до 1.0В при If=1мА. Этот параметр актуален, если фотодиод случайно смещен в прямом направлении; это не его нормальный режим работы.
• Напряжение обратного пробоя V(BR):Минимум 30В при IR=100мкА. Это подтверждает, что устройство может безопасно выдерживать максимальное номинальное обратное напряжение.
• Обратный темновой ток (ID):Максимум 100 нА при VR=5В, Ee=0мВт/см². Это ток утечки при отсутствии света. Более низкий темновой ток улучшает чувствительность к слабым сигналам.
• Напряжение холостого хода (VOC):Максимум 0.4В при λ=940нм, Ee=0.5мВт/см². Это напряжение, генерируемое фотодиодом в фотогальваническом режиме (без внешнего смещения) при освещении.
• Время нарастания (Tr) и время спада (Tf):Типично 0.30мкс и 0.28мкс соответственно, при VR=10В, RL=1кОм. Эти параметры определяют скорость переключения, делая устройство подходящим для декодирования модулированных ИК-сигналов (например, от пультов ДУ, работающих на 38-40 кГц).
• Обратный световой ток (Ip):Типично 16 мкА (мин. 10 мкА) при VR=5В, λ=940нм, Ee=1мВт/см². Это фототок, генерируемый при обратном смещении диода, что является стандартным режимом работы для линейного отклика и скорости.
• Ток короткого замыкания (Is):Типично 16 мкА при тех же условиях, что и Ip. В фотогальваническом режиме это максимальный ток, который может обеспечить устройство.
• Общая емкость (CT):Типично 14 пФ при VR=3В, f=1МГц. Эта емкость перехода влияет на высокочастотный отклик; меньшая емкость позволяет получить более высокую полосу пропускания.
• Пиковая длина волны чувствительности (λp):Типично 910 нм. Фотодиод наиболее чувствителен к инфракрасному свету на этой длине волны, что делает его идеальным для совместного использования с ИК-излучающими диодами (IRED) на 940 нм.

3. Анализ характеристических кривых

Представленные графики дают визуальное представление о поведении устройства в различных условиях.

3.1 Зависимость фототока от облученности

Кривая показывает зависимость между мощностью падающего света (облученность Ee) и генерируемым фототоком (Ip). Для фотодиода, работающего в линейной области (при обратном смещении), эта зависимость обычно линейна. График подтверждает, что при 1 мВт/см² света с длиной волны 940 нм фототок составляет примерно 16 мкА, как указано в таблице. Эта линейность критически важна для аналоговых сенсорных применений.

3.2 Спектральная чувствительность

Этот график отображает относительную радиационную чувствительность в зависимости от длины волны. Он показывает пик около 910 нм и значительный отклик в диапазоне примерно от 800 нм до 1050 нм. Чувствительность резко падает для видимого света (ниже 700 нм), что полезно для подавления фонового светового шума от источников, таких как лампы накаливания или солнечный свет. Установка фильтра, как упоминается в описании, еще больше улучшит этот срез.

3.3 Зависимость общей рассеиваемой мощности от температуры окружающей среды

Эта кривая снижения номинальных значений иллюстрирует, как максимально допустимая рассеиваемая мощность уменьшается с ростом температуры окружающей среды. При 25°C допустимы полные 150 мВт. По мере роста температуры к максимальному рабочему пределу в 85°C допустимая рассеиваемая мощность линейно уменьшается. Это критически важно для теплового менеджмента при проектировании приложения, чтобы предотвратить перегрев.

3.4 Диаграмма угловой чувствительности

Полярная диаграмма изображает относительную чувствительность при разных углах падения света. Фотодиод с плоской линзой, как этот, обычно имеет относительно широкий угол обзора (часто около ±60 градусов, где чувствительность падает до 50%). Этот широкий угол выгоден для приемников, которым необходимо улавливать сигналы с большой площади без точного позиционирования.

4. Механическая и упаковочная информация

4.1 Габаритные размеры

Устройство соответствует стандартному отраслевому корпусу. Ключевые размеры включают размер корпуса, расстояние между выводами и общую высоту. Корпус предназначен для поверхностного монтажа (SMT). Все размеры указаны в миллиметрах со стандартным допуском ±0.1 мм, если не указано иное.

4.2 Идентификация полярности и проектирование контактных площадок

Катод обычно маркируется на корпусе. В спецификации приведены рекомендуемые размеры контактных площадок для разводки печатной платы. Рекомендуемая конструкция площадки обеспечивает надежное паяное соединение и правильную механическую стабильность во время и после процесса оплавления. Рекомендуется использовать металлический трафарет толщиной от 0.1 мм до 0.12 мм для нанесения паяльной пасты.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Профиль пайки оплавлением

Компонент сертифицирован для бессвинцовых процессов пайки оплавлением. Предоставляется рекомендуемый температурный профиль, соответствующий стандартам JEDEC. Ключевые параметры включают зону предварительного нагрева (150-200°C), пиковую температуру не выше 260°C и время выше температуры ликвидуса (TAL), которое обеспечивает правильное формирование паяного соединения без чрезмерного термического воздействия на компонент. Устройство может выдерживать этот профиль максимум 10 секунд при пиковой температуре, до двух раз.

5.2 Ручная пайка

Если необходима ручная пайка, ее следует выполнять паяльником с температурой жала не выше 300°C, а время контакта должно быть ограничено максимум 3 секундами на соединение. Это минимизирует риск термического повреждения полупроводникового кристалла или пластикового корпуса.

5.3 Условия хранения

Для предотвращения поглощения влаги, которое может вызвать \"эффект попкорна\" во время оплавления, установлены особые условия хранения. В оригинальном герметичном влагозащитном пакете с осушителем устройство должно храниться при ≤30°C и ≤90% относительной влажности и использоваться в течение одного года. После вскрытия пакета компоненты должны храниться при ≤30°C и ≤60% относительной влажности и, в идеале, обработаны в течение одной недели. Для более длительного хранения вне оригинальной упаковки требуется предварительная сушка при температуре около 60°C в течение не менее 20 часов перед пайкой.

5.4 Очистка

Если требуется очистка после пайки, следует использовать только спиртовые растворители, такие как изопропиловый спирт. Следует избегать агрессивных химических очистителей, так как они могут повредить материал корпуса или линзу.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Спецификация ленты и катушки

Компонент поставляется на формованной несущей ленте с защитной крышкой. Ширина ленты составляет 8 мм, она намотана на стандартную катушку диаметром 7 дюймов (178 мм). Каждая катушка содержит 3000 штук. Упаковка соответствует спецификациям ANSI/EIA 481-1-A-1994, что обеспечивает совместимость с автоматическими питателями.

7. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

7.1 Типовая конфигурация схемы

Наиболее распространенный режим работы фотодиода, такого как LTR-C155DD-G, — фотопроводящий режим. Здесь диод смещен в обратном направлении напряжением (например, 5В, как в условиях испытаний). Генерируемый фототок пропорционален интенсивности света. Этот ток можно преобразовать в напряжение с помощью нагрузочного резистора (RL). Значение RL влияет как на размах выходного напряжения, так и на полосу пропускания (скорость) схемы из-за постоянной времени RC, образованной с емкостью перехода фотодиода (CT). Для высокоскоростных применений, таких как декодирование ИК-сигналов пультов ДУ на 38 кГц, используется меньший RL (например, от 1 кОм до 10 кОм). Для большей чувствительности в условиях низкой освещенности рекомендуется использовать больший RL или схему с усилителем тока в напряжение (TIA).

7.2 Соображения по оптическому проектированию

Для оптимизации производительности инфракрасный источник (IRED) должен иметь длину волны излучения, соответствующую пиковой чувствительности фотодиода (около 940 нм). Перед фотодиодом можно установить оптический фильтр для блокировки видимого света, что значительно улучшит отношение сигнал/шум в условиях сильного фонового освещения. Широкий угол обзора фотодиода упрощает оптическое выравнивание, но также может сделать его более восприимчивым к паразитному свету; механический кожух может помочь определить поле зрения.

7.3 Соображения по разводке

Следуйте рекомендуемой разводке контактных площадок для обеспечения хорошей паяемости и механической прочности. В чувствительных аналоговых схемах делайте дорожки от анода и катода фотодиода как можно короче, чтобы минимизировать наводки и паразитную емкость. В условиях электрических помех может потребоваться правильное заземление и экранирование.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению с фототранзистором, фотодиод, такой как LTR-C155DD-G, обеспечивает более быстрое время отклика (доли микросекунды против микросекунд), что делает его превосходным для высокоскоростной передачи данных или приема модулированных сигналов. Он также обеспечивает более линейный выходной сигнал относительно интенсивности света. По сравнению с другими фотодиодами его ключевые особенности включают стандартизированный корпус для автоматизированной сборки, совместимость с бессвинцовой пайкой оплавлением и заданные высокоскоростные характеристики, подходящие для потребительских ИК-протоколов.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 В чем разница между обратным световым током (Ip) и током короткого замыкания (Is)?

Обратный световой ток (Ip) измеряется при обратном смещении фотодиода напряжением (например, 5В). Это стандартное рабочее условие для линейного отклика и скорости. Ток короткого замыкания (Is) измеряется при нулевом напряжении на диоде (фотогальванический режим). Типичное значение схоже, но фотогальванический режим имеет более медленный отклик и выходной ток, зависящий от напряжения.

9.2 Как выбрать значение нагрузочного резистора (RL)?

Выбор представляет собой компромисс между полосой пропускания и амплитудой сигнала. Для ИК-сигнала 38 кГц период составляет около 26 мкс. Время нарастания/спада фотодиода (0.3 мкс) намного быстрее этого, поэтому оно не является ограничивающим фактором. Постоянная времени RC (RL * CT) должна быть значительно меньше ширины импульса, который вам нужно обнаружить. Для резистора 1 кОм и емкости 14 пФ постоянная времени составляет 14 нс, что отлично подходит для высоких скоростей. Больший RL дает большее выходное напряжение при том же уровне освещенности, но уменьшает полосу пропускания и может увеличить шум.

9.3 Почему требуется сушка, если детали хранятся вне пакета?

Пластиковые SMD-корпуса могут поглощать влагу из воздуха. Во время высокотемпературного процесса пайки оплавлением эта захваченная влага может быстро испаряться, создавая внутреннее давление, которое может расслоить корпус или расколоть кристалл — явление, известное как \"эффект попкорна\". Сушка удаляет эту поглощенную влагу, предотвращая этот вид отказа.

10. Введение в принцип работы

Фотодиод — это полупроводниковый PN-переход. Когда фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, попадают в область обеднения перехода, они могут возбуждать электроны из валентной зоны в зону проводимости, создавая электрон-дырочные пары. Под действием внутреннего электрического поля (присущего переходу или усиленного внешним обратным напряжением смещения) эти носители заряда разделяются, генерируя измеримый ток во внешней цепи. Этот фототок прямо пропорционален интенсивности падающего света при условии, что устройство работает в своей линейной области. Пиковая длина волны чувствительности определяется энергией запрещенной зоны используемого полупроводникового материала.

11. Тенденции развития

Тенденция в дискретных инфракрасных датчиках, таких как фотодиоды, заключается в дальнейшей миниатюризации корпусов при сохранении или улучшении параметров производительности, таких как более низкий темновой ток, более высокая скорость и повышенная устойчивость к помехам от окружающего света. Интеграция — еще одна ключевая тенденция, когда устройства объединяют фотодиод со специализированным усилителем, фильтром и цифровой логикой в одном корпусе, создавая законченные \"ИК-приемные модули\", которые упрощают проектирование конечного продукта. Также наблюдается постоянное стремление к повышению надежности и совместимости со все более строгими экологическими и производственными стандартами, такими как стандарты для автомобильных или промышленных применений.