Техническая документация на фототранзистор LTR-S320-DB-L - Корпус EIA - Пиковая чувствительность 940 нм

1. Обзор продукта

LTR-S320-DB-L — это высокопроизводительный кремниевый NPN фототранзистор, предназначенный для применения в инфракрасных датчиках. Этот компонент оптимизирован для обнаружения света в ближнем инфракрасном спектре с пиковой чувствительностью на длине волны 940 нм, что делает его подходящим для широкого спектра систем дистанционного управления, обнаружения объектов и задач промышленной автоматизации. Его основная функция — преобразование падающего инфракрасного света в соответствующий электрический ток.

Прибор заключен в стандартный корпус, соответствующий стандарту EIA, с черной линзой из смолы, отсекающей дневной свет. Эта линза эффективно фильтрует видимый окружающий свет, значительно снижая уровень шума и ложные срабатывания, тем самым повышая отношение сигнал/шум при наличии фоновой засветки. Корпус разработан для совместимости с высокопроизводительными автоматизированными процессами сборки, включая подачу на ленте и групповую пайку оплавлением в ИК-печи, что соответствует современным требованиям производства.

Как продукт, соответствующий директиве RoHS и не содержащий свинца (Pb-free) ("зеленый продукт"), он отвечает современным экологическим стандартам. Сочетание его спектральной характеристики, конструкции корпуса и совместимости с производственными процессами делает его надежным и универсальным решением для экономичных и высокопроизводительных схем инфракрасного детектирования.

2. Технические параметры: Подробная объективная интерпретация

Все электрические и оптические характеристики указаны при температуре окружающей среды (T_A) 25°C, что обеспечивает стандартизированную базовую линию для оценки производительности.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению прибора. Работа на этих пределах или за ними не гарантируется, и в схемотехнике ее следует избегать.

• Рассеиваемая мощность (P_D):150 мВт. Это максимально допустимая мощность, которую прибор может рассеивать в виде тепла. Превышение этого предела грозит тепловым разгоном и выходом из строя.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):30 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено между выводами коллектора и эмиттера при разомкнутой базе (фототранзистор в темноте).
• Диапазон рабочих температур:от -40°C до +85°C. Диапазон температуры окружающей среды, в котором прибор предназначен для корректной работы.
• Диапазон температур хранения:от -55°C до +100°C. Диапазон температур для нерабочего хранения без ухудшения характеристик.
• Условия инфракрасной пайки:Пиковая температура 260°C не более 10 секунд. Это определяет предельный тепловой профиль для процессов бессвинцовой пайки оплавлением.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры определяют производительность прибора в конкретных условиях испытаний.

• Напряжение обратного пробоя (V_(BR)R):Минимум 33 В, типично 170 В при I_R=100 мкА. Это высокое значение указывает на надежный переход, способный выдерживать значительное обратное смещение, что полезно для схем с индуктивными нагрузками или скачками напряжения.
• Обратный темновой ток (I_D):Максимум 10 нА при V_R=10 В. Это ток утечки при отсутствии падающего света. Низкий темновой ток критически важен для достижения высокой чувствительности и малошумящей работы, особенно в сценариях обнаружения при слабом освещении.
• Напряжение холостого хода (V_OC):Типично 390 мВ при освещении светом с длиной волны 940 нм и облученности (E_e) 0,5 мВт/см². Этот параметр актуален, когда прибор используется в фотогальваническом режиме (без внешнего смещения).
• Ток короткого замыкания (I_SC):Типично 1,8 мкА при тех же условиях испытаний, что и для V_OC(V_R=5 В, λ=940 нм, E_e=0,5 мВт/см²). Это представляет собой фототок, генерируемый при коротком замыкании выхода.
• Время нарастания (T_r) и время спада (T_f):Максимум 30 нс каждое (V_R=10 В, R_L=1 кОм). Эти характеристики скорости переключения имеют решающее значение для приложений, требующих быстрого обнаружения импульсов или высокочастотной модуляции, например, в каналах передачи данных.
• Общая емкость (C_T):Максимум 1 пФ при V_R=5 В, f=1 МГц. Низкая емкость перехода необходима для поддержания быстрого времени отклика, так как она ограничивает постоянную времени RC цепи.
• Спектральная полоса пропускания (λ_0.5):от 750 нм до 1100 нм. Это определяет диапазон длин волн, в котором чувствительность прибора составляет не менее половины от пикового значения. Он охватывает общую инфракрасную область, используемую многими ИК-излучателями (например, светодиодами на 850 нм и 940 нм).
• Длина волны пиковой чувствительности (λ_P):940 нм. Прибор спектрально согласован с инфракрасными светодиодами, излучающими на длине волны 940 нм, что обеспечивает максимальную эффективность и силу сигнала в таких парах.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные характеристические кривые, которые визуально показывают поведение прибора в различных условиях. Хотя конкретные графики не воспроизводятся в тексте, их типичные следствия анализируются ниже.

3.1 Вольт-амперные характеристики (ВАХ)

Семейство кривых, отображающих зависимость тока коллектора (I_C) от напряжения коллектор-эмиттер (V_CE) для различных уровней падающей облученности (E_e). Эти кривые обычно показывают, что при фиксированной облученности I_Cувеличивается с ростом V_CEдо достижения области насыщения. Более высокие уровни облученности смещают кривые вверх, указывая на больший фототок. Наклон в активной области связан с выходной проводимостью прибора.

3.2 Относительная чувствительность в зависимости от длины волны

Эта кривая графически представляет спектральную характеристику с пиком на 940 нм и спадом к 750 нм и 1100 нм (точки λ_0.5). Она необходима для выбора подходящего ИК-излучателя для пары с детектором и для оценки влияния источников окружающего света с разными спектрами.

3.3 Зависимость от температуры

Кривые, вероятно, показывают изменение ключевых параметров, таких как темновой ток (I_D) и фототок, в зависимости от температуры окружающей среды. Темновой ток обычно увеличивается экспоненциально с температурой (примерно удваиваясь каждые 10°C), что может быть значительным источником шума в высокотемпературных приложениях. Фототок также может иметь небольшой отрицательный температурный коэффициент.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

Прибор соответствует стандартному контуру корпуса EIA. Все размеры указаны в миллиметрах со стандартным допуском ±0,10 мм, если не указано иное. Корпус оснащен черной линзой из смолы, отсекающей дневной свет, отлитой поверх кремниевого кристалла.

4.2 Идентификация полярности и распиновка

Фототранзистор — это двухвыводной прибор. Распиновка стандартна для таких корпусов: коллектор обычно соединен с корпусом или более длинным выводом (если применимо), а эмиттер — другой вывод. Окончательная идентификация приведена на диаграмме в техническом описании. Правильная полярность необходима для корректной работы схемы.

4.3 Рекомендуемая контактная площадка для пайки

Предоставляется рекомендуемый посадочный рисунок (footprint) для проектирования печатной платы, обеспечивающий надежное формирование паяного соединения во время оплавления. Соблюдение этих размеров помогает предотвратить "эффект надгробия", смещение или недостаточное количество припоя в монтажных усах.

5. Рекомендации по пайке и монтажу

5.1 Профиль групповой пайки оплавлением

Предоставляется подробная рекомендация по профилю инфракрасной пайки оплавлением, подходящему для бессвинцовых процессов. Ключевые параметры включают:

• Предварительный нагрев:от 150°C до 200°C.
• Время предварительного нагрева:Максимум 120 секунд.
• Пиковая температура:Максимум 260°C.
• Время выше температуры ликвидуса (на пике):Максимум 10 секунд.
• Максимальное количество циклов оплавления: Two.

Профиль основан на стандартах JEDEC для обеспечения целостности корпуса. Инженеры должны характеризовать профиль для своей конкретной конструкции печатной платы, компонентов и паяльной пасты.

5.2 Ручная пайка

Если необходима ручная пайка, температура жала паяльника не должна превышать 300°C, а время пайки на вывод должно быть ограничено максимум 3 секундами. Рекомендуется только один цикл ручной пайки, чтобы избежать термических напряжений.

5.3 Очистка

Следует использовать только указанные чистящие средства. Рекомендуется изопропиловый спирт (IPA) или этиловый спирт. Прибор следует погружать при нормальной температуре менее чем на одну минуту. Неуказанные химические жидкости могут повредить смолу корпуса.

5.4 Условия хранения

Запечатанная упаковка (пакет с влагозащитным барьером):Хранить при температуре ≤30°C и относительной влажности ≤90%. Компоненты рассчитаны на использование в течение одного года с даты герметизации пакета.

Вскрытая упаковка:Хранить при температуре ≤30°C и относительной влажности ≤60%. Компоненты должны быть пропаяны оплавлением в течение одной недели (168 часов). Для более длительного хранения вне оригинального пакета их необходимо хранить в герметичном контейнере с осушителем или в азотном эксикаторе. Компоненты, хранившиеся более одной недели, перед пайкой должны быть просушены при температуре примерно 60°C в течение не менее 20 часов для удаления поглощенной влаги и предотвращения "эффекта попкорна" во время оплавления.

6. Информация об упаковке и заказе

6.1 Спецификации на ленте и в катушке

Прибор поставляется в 8-миллиметровой несущей ленте на катушках диаметром 7 дюймов (178 мм), совместимых со стандартным автоматическим монтажным оборудованием.

• Количество штук на катушке: 3000.
• Верхняя покровная лента:Пустые ячейки для компонентов запечатаны верхней покровной лентой.
• Отсутствующие компоненты:Согласно спецификации на катушку, допускается максимум два последовательно отсутствующих компонента ("пропущенные лампы").
• Стандарт:Упаковка соответствует спецификациям ANSI/EIA 481-1-A-1994.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

• Приемники инфракрасных пультов дистанционного управления:Для телевизоров, аудиосистем и приставок (в паре с ИК-светодиодом на 940 нм).
• Обнаружение объектов/приближения:В принтерах, копировальных аппаратах, торговых автоматах и промышленной автоматике для обнаружения бумаги, объектов или положения.
• Детекторы дыма:В конструкциях с оптической камерой.
• Энкодеры:Для измерения скорости или положения в управлении двигателями.
• Базовая оптическая развязка:В низкоскоростных, экономичных схемах гальванической развязки.

7.2 Особенности проектирования схем

Способ управления:Фототранзистор — это устройство с токовым выходом. Для стабильной работы, особенно при параллельном использовании нескольких приборов, настоятельно рекомендуется использовать токоограничивающий резистор, включенный последовательно с каждым фототранзистором (Схемная модель A в техническом описании).

Схемная модель A (рекомендуется):Каждый фототранзистор имеет свой собственный последовательный резистор, подключенный к напряжению питания. Это гарантирует, что каждый прибор работает в определенной точке тока, компенсируя незначительные вариации их вольт-амперных (ВАХ) характеристик и предотвращая "перетягивание" тока одним устройством.

Схемная модель B (не рекомендуется для параллельного использования):Несколько фототранзисторов, подключенных непосредственно параллельно к одному общему резистору. Из-за естественных различий в ВАХ отдельных компонентов один прибор может потреблять больше тока, чем другие, что приводит к неравномерной яркости или чувствительности в приложениях обнаружения.

Смещение:Прибор обычно используется в схеме с общим эмиттером с подтягивающим резистором на коллекторе. Значение этого нагрузочного резистора (R_L) влияет как на размах выходного напряжения, так и на скорость отклика (через постоянную времени RC, образованную с емкостью прибора). Меньшее значение R_Lдает более быстрый отклик, но меньшее изменение выходного напряжения.

Помехоустойчивость:Черная линза, отсекающая дневной свет, обеспечивает отличное подавление видимого света. Однако для сред с высоким уровнем помех (например, с люминесцентным освещением или солнечным светом) может потребоваться дополнительная электрическая фильтрация (например, конденсатор, включенный параллельно нагрузочному резистору, или аппаратный/программный алгоритм устранения дребезга) для подавления модулированных помех.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению с простым фотодиодом, фототранзистор обеспечивает внутреннее усиление по току (коэффициент усиления транзистора β), что приводит к значительно более высокому выходному току при том же уровне падающего света. Это упрощает непосредственное сопряжение с логическими схемами или микроконтроллерами без необходимости последующего каскада усиления, упрощая конструкцию и уменьшая количество компонентов.

Однако это усиление достигается ценой более медленного времени отклика (обычно десятки-сотни наносекунд для фототранзисторов против наносекунд для фотодиодов) и потенциально более высокой емкости. Для очень высокоскоростных приложений (например, модуляция >1 МГц) лучшим выбором может быть фотодиод с внешним транс-импедансным усилителем.

Ключевыми отличительными особенностями LTR-S320-DB-L в категории фототранзисторов являются его стандартизированный корпус EIA для удобства производства, специфическое спектральное согласование на 940 нм, интегрированная линза-фильтр дневного света и его пригодность для бессвинцовых процессов оплавления.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 Для чего нужна линза с "отсечкой дневного света"?

Черная смоляная линза легирована так, чтобы быть непрозрачной для видимого света, но прозрачной для инфракрасных длин волн около 940 нм. Это значительно снижает фототок, генерируемый окружающим комнатным светом, солнечным светом или другими видимыми источниками, сводя к минимуму ложные срабатывания и повышая надежность обнаружения ИК-сигнала.

9.2 Можно ли использовать его с ИК-светодиодом на 850 нм?

Да, но с пониженной эффективностью. Кривая спектральной характеристики прибора показывает значительную чувствительность на 850 нм (в пределах полосы пропускания 750-1100 нм), но это не пик (940 нм). Выходной сигнал будет слабее по сравнению с использованием согласованного излучателя на 940 нм. Для оптимальной производительности и максимальной дальности рекомендуется использовать пару с источником на 940 нм.

9.3 Как рассчитать подходящее значение последовательного резистора?

Значение резистора зависит от желаемого рабочего тока и напряжения питания (V_CC). При определенной облученности фототранзистор будет вести себя как источник тока. Используя закон Ома: R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C. V_CE(sat)— это напряжение насыщения (обычно несколько сотен мВ при умеренных токах). I_C— желаемый ток коллектора, который можно оценить по параметру I_SCи ожидаемому уровню освещенности. Начните с типичного значения I_SC(1,8 мкА при 0,5 мВт/см²) и масштабируйте его в зависимости от облученности в вашем приложении. Выберите R, чтобы установить рабочую точку в желаемой области ВАХ.

9.4 Зачем нужна сушка, если компоненты хранились вне упаковки?

Пластиковые корпуса могут поглощать влагу из атмосферы. Во время высокотемпературного процесса пайки оплавлением эта захваченная влага может быстро испаряться, создавая высокое внутреннее давление. Это может вызвать расслоение корпуса от кристалла ("эффект попкорна") или внутренние трещины, приводящие к немедленным или скрытым отказам. Сушка удаляет эту поглощенную влагу, делая компоненты безопасными для оплавления.

10. Принцип работы

Фототранзистор по своей сути является биполярным транзистором (BJT), в котором базовый ток генерируется светом, а не электрическим соединением. Падающие фотоны с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны кремния, создают электрон-дырочные пары в области перехода база-коллектор. Эти носители увлекаются внутренним электрическим полем, генерируя фототок, который действует как базовый ток (I_B). Этот фотоиндуцированный базовый ток затем усиливается коэффициентом усиления по току транзистора (h_FEили β), что приводит к гораздо большему току коллектора (I_C= β * I_B). Выходной сигнал снимается с вывода коллектора, а эмиттер заземлен. Отсутствие физического вывода базы является общей чертой, хотя некоторые фототранзисторы включают соединение базы для управления смещением или оптимизации скорости.

11. Тенденции развития

Область фотодетектирования продолжает развиваться. Тенденции, актуальные для таких устройств, как LTR-S320-DB-L, включают:

• Миниатюризация:Разработка фототранзисторов в корпусах с меньшими размерами (например, корпусах чип-скейл) для создания более плотной электроники.
• Повышенная интеграция:Объединение фотодетектора с усилителем, фильтром и цифровой логикой на одном кристалле для создания "интеллектуальных датчиков" с цифровым выходом (I2C, SPI), что сокращает количество внешних компонентов и упрощает проектирование системы.
• Улучшенная скорость:Исследования структур и материалов для сокращения времени пролета носителей и емкости, повышая полосу пропускания фототранзисторов для приложений передачи данных.
• Специфичность длины волны:Разработка детекторов с более узкими и точно настроенными спектральными характеристиками для улучшения избирательности в средах с несколькими ИК-источниками или для реализации новых методов зондирования.
• Фокус на надежность и тестирование:По мере проникновения оптоэлектроники в автомобильные, медицинские и промышленные приложения, связанные с безопасностью, возрастает акцент на строгих стандартах квалификации, работе в расширенном температурном диапазоне и анализе режимов отказов.

Хотя дискретные фототранзисторы остаются жизненно важными для многих приложений благодаря своей простоте и экономической эффективности, эти тенденции указывают на более сложные и специализированные решения в будущем.