Техническая документация на фототранзистор LTR-209 - Прозрачный корпус - Vce 30В - Мощность 100мВт

1. Обзор продукта

LTR-209 — это кремниевый NPN-фототранзистор, предназначенный для применения в инфракрасных детекторах. Он выполнен в прозрачном пластиковом корпусе, что обеспечивает высокую чувствительность к падающему свету, особенно в инфракрасном спектре. Устройство характеризуется широким рабочим диапазоном, надежностью и экономичностью, что делает его подходящим для различных систем обнаружения и детектирования.

1.1 Ключевые преимущества

• Широкий диапазон тока коллектора:Устройство поддерживает широкий спектр уровней тока коллектора, обеспечивая гибкость в проектировании схем и регулировке чувствительности.
• Линза высокой чувствительности:Интегрированная линза повышает чувствительность устройства к падающему инфракрасному излучению, улучшая соотношение сигнал/шум.
• Недорогой пластиковый корпус:Используется экономичная пластиковая герметизация, что снижает общую стоимость системы.
• Прозрачный корпус:Прозрачный корпус максимизирует количество света, достигающего активной полупроводниковой области, оптимизируя производительность.

2. Подробный анализ технических параметров

В следующем разделе представлена подробная, объективная интерпретация ключевых электрических и оптических параметров, указанных для фототранзистора LTR-209.

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эти параметры определяют пределы, за которыми может произойти необратимое повреждение устройства. Работа в этих условиях или при их превышении не гарантируется.

• Рассеиваемая мощность (P_D):100 мВт. Это максимальная мощность, которую устройство может рассеивать в виде тепла при температуре окружающей среды (T_A) 25°C. Превышение этого предела грозит тепловым разгоном и отказом.
• Напряжение коллектор-эмиттер (V_CEO):30 В. Максимальное напряжение, которое может быть приложено между выводами коллектора и эмиттера при разомкнутой базе (только фототок).
• Напряжение эмиттер-коллектор (V_ECO):5 В. Максимальное обратное напряжение, применимое между эмиттером и коллектором.
• Диапазон рабочих температур:от -40°C до +85°C. Диапазон температуры окружающей среды, в котором устройство предназначено для корректной работы.
• Диапазон температур хранения:от -55°C до +100°C. Диапазон температур для нерабочего хранения без деградации.
• Температура пайки выводов:260°C в течение 5 секунд на расстоянии 1,6 мм от корпуса. Это определяет допустимый тепловой профиль для ручной или волновой пайки.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измеряются при определенных условиях испытаний при T_A=25°C и определяют типичные характеристики устройства.

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO):30 В (мин.). Измеряется при I_C= 1мА и нулевой облученности (E_e= 0 мВт/см²). Это подтверждает абсолютный максимальный параметр.
• Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (V_(BR)ECO):5 В (мин.). Измеряется при I_E= 100мкА и нулевой облученности.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):0,4 В (макс.). Падение напряжения на устройстве, когда оно полностью "открыто" (проводит), измеренное при I_C= 100мкА и E_e= 1 мВт/см². Более низкое V_CE(SAT)желательно для меньших потерь мощности.
• Время нарастания (T_r) и время спада (T_f):10 мкс (тип.) и 15 мкс (тип.) соответственно. Эти параметры определяют скорость переключения фототранзистора. Измеряются в условиях V_CC=5В, I_C=1мА и R_L=1кОм. Асимметрия характерна для фототранзисторов.
• Темновой ток коллектора (I_CEO):100 нА (макс.). Это ток утечки, протекающий от коллектора к эмиттеру, когда устройство находится в полной темноте (E_e= 0 мВт/см²) и V_CE= 10В. Низкий темновой ток критически важен для высокочувствительных применений, чтобы минимизировать шум.

3. Объяснение системы сортировки (Binning)

LTR-209 использует систему сортировки для своего ключевого параметра,Тока коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)). Сортировка — это процесс контроля качества, при котором компоненты сортируются на основе измеренных характеристик в определенные группы или "бины". Это позволяет разработчикам выбирать устройство с гарантированным диапазоном характеристик, подходящим для их применения.

3.1 Сортировка по току коллектора в открытом состоянии

I_C(ON)измеряется в стандартизированных условиях: V_CE= 5В, E_e= 1 мВт/см² и длина волны инфракрасного источника (λ) 940 нм. Устройство сортируется в следующие бины на основе измеренного тока:

• BIN C:от 0,8 мА (мин.) до 2,4 мА (макс.)
• BIN D:от 1,6 мА (мин.) до 4,8 мА (макс.)
• BIN E:от 3,2 мА (мин.) до 9,6 мА (макс.)
• BIN F:от 6,4 мА (мин.) — верхний предел в данном отрывке документации не указан.

Влияние на проектирование:Схема, разработанная для устройств BIN C (низкий ток), может работать некорректно, если используется устройство BIN F (высокий ток) без повторной калибровки, и наоборот. Указание кода бина критически важно для стабильной работы системы.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены несколько характеристических кривых, иллюстрирующих, как ключевые параметры изменяются в зависимости от рабочих условий. Они необходимы для понимания реального поведения, выходящего за рамки точечных спецификаций.

4.1 Темновой ток коллектора в зависимости от температуры окружающей среды (Рис. 1)

На этом графике показано, что I_CEO(темновой ток) экспоненциально возрастает с увеличением температуры окружающей среды (T_A). Например, при 100°C темновой ток может быть на порядки выше, чем при 25°C. Это фундаментальное поведение полупроводника, обусловленное увеличением термической генерации носителей заряда.Соображение для проектирования:В высокотемпературных применениях повышенный темновой ток может стать значительным источником шума, потенциально маскируя слабые оптические сигналы. Может потребоваться терморегулирование или обработка сигнала.

4.2 Рассеиваемая мощность коллектора в зависимости от температуры окружающей среды (Рис. 2)

Эта кривая снижения номинала показывает максимально допустимую рассеиваемую мощность (P_C) как функцию T_A. Абсолютный максимальный параметр 100 мВт действителен только при 25°C или ниже. По мере увеличения T_Aспособность устройства рассеивать тепло снижается, поэтому максимально допустимая мощность должна линейно уменьшаться. При 85°C (максимальная рабочая температура) допустимая рассеиваемая мощность значительно ниже.Соображение для проектирования:Схемы должны быть спроектированы так, чтобы фактическая рассеиваемая мощность (V_CE* I_C) не превышала сниженное значение при максимальной ожидаемой рабочей температуре.

4.3 Время нарастания/спада в зависимости от сопротивления нагрузки (Рис. 3)

Эта кривая демонстрирует компромисс между скоростью переключения и амплитудой сигнала. Время нарастания (T_r) и время спада (T_f) увеличиваются с увеличением сопротивления нагрузки (R_L). Большее R_Lобеспечивает больший размах выходного напряжения (ΔV = I_C* R_L), но замедляет время отклика схемы, потому что барьерная емкость транзистора заряжается/разряжается дольше через большее сопротивление.Соображение для проектирования:Значение R_Lдолжно быть выбрано в зависимости от того, что приоритетно для применения: высокоскоростной отклик (низкое R_L) или высокий коэффициент усиления по напряжению (высокое R_L).

4.4 Относительный ток коллектора в зависимости от облученности (Рис. 4)

На этом графике нормированный ток коллектора отложен в зависимости от плотности падающей оптической мощности (облученность, E_e). Он показывает линейную зависимость в указанном диапазоне (0 до ~5 мВт/см²). Эта линейность является ключевой особенностью фототранзисторов, используемых в аналоговых датчиках, поскольку выходной ток прямо пропорционален интенсивности входного света. Кривая показана для V_CE= 5В.

4.5 Диаграмма чувствительности (Рис. 5)

Хотя точные оси сокращены, "Диаграмма чувствительности" обычно иллюстрирует спектральную чувствительность детектора. Кремниевые фототранзисторы, такие как LTR-209, наиболее чувствительны к свету в ближней инфракрасной области, с пиком около 800-950 нм. Это делает их идеальными для использования с обычными инфракрасными излучателями (например, светодиодами с λ=940нм, как указано в условии тестирования для сортировки) и для фильтрации помех от видимого света.

5. Механическая информация и данные о корпусе

5.1 Габаритные размеры корпуса

Устройство использует стандартный пластмассовый корпус для монтажа в отверстия. Ключевые размерные примечания из технического описания включают:

• Все размеры указаны в миллиметрах (дюймы приведены в скобках).
• Стандартный допуск ±0,25 мм (±0,010") применяется, если не указано иное.
• Максимальный выступ смолы под фланцем составляет 1,5 мм (0,059").
• Расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из корпуса, что критически важно для проектирования посадочного места на печатной плате.

Идентификация полярности:Более длинный вывод обычно является коллектором, а более короткий — эмиттером. Плоская сторона на ободке корпуса также может указывать на сторону эмиттера. Всегда сверяйтесь со схемой корпуса.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Основное руководство касается ручной или волновой пайки: выводы могут подвергаться температуре 260°C в течение максимум 5 секунд, измеренной на расстоянии 1,6 мм (0,063") от корпуса. Это предотвращает тепловое повреждение внутреннего полупроводникового кристалла и пластикового корпуса.

Для оплавления:Хотя в данном техническом описании явно не указано, аналогичные пластиковые корпуса обычно требуют профиля, соответствующего стандартам JEDEC (например, J-STD-020), с максимальной температурой, обычно не превышающей 260°C. Конкретный уровень чувствительности к влаге (MSL) и требования к прокалке здесь не приведены и должны быть подтверждены у производителя.

Условия хранения:Устройство должно храниться в указанном диапазоне температур от -55°C до +100°C в сухой, некоррозионной среде. Для длительного хранения рекомендуется соблюдать меры предосторожности от статического электричества.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

• Обнаружение объектов и датчики приближения:Используется в паре с ИК-светодиодом для обнаружения наличия, отсутствия или приближения объекта (например, в торговых автоматах, принтерах, промышленной автоматизации).
• Щелевые датчики и энкодеры:Обнаружение прерываний ИК-луча для подсчета объектов или измерения скорости вращения.
• Приемники пультов дистанционного управления:Хотя они медленнее, чем специализированные фотодиоды, их можно использовать в простых, недорогих схемах приемников ИК-сигналов.
• Световые барьеры и системы безопасности:Создание невидимого луча для обнаружения вторжений.

7.2 Соображения по проектированию и схемная конфигурация

Наиболее распространенная схемная конфигурация — этосхема с общим эмиттером. Фототранзистор подключен коллектором к положительному источнику питания (V_CC) через нагрузочный резистор (R_L), а эмиттер подключен к земле. Падающий свет вызывает протекание фототока (I_C), создавая выходное напряжение (V_OUT) на узле коллектора: V_OUT= V_CC- (I_C* R_L). В темноте V_OUTвысокое (~V_CC). При освещении V_OUT drops.

Ключевые этапы проектирования:

1. Выберите R_L:на основе требуемого размаха выходного сигнала (V_CC/I_C(ON)) и желаемой скорости (см. Рис. 3). Обычно используются значения от 1 кОм до 10 кОм.
2. Учтите полосу пропускания:Значение R_Lв сочетании с барьерной емкостью устройства образует фильтр нижних частот. Для импульсного режима убедитесь, что постоянная времени RC схемы намного короче ширины импульса.
3. Управление фоновым освещением:Используйте оптические фильтры (темный или ИК-пропускающий фильтр над датчиком), чтобы блокировать нежелательный видимый свет и снижать шум.
4. Температурная компенсация:Для точного аналогового детектирования учитывайте температурную зависимость темнового тока (Рис. 1). Методы включают использование согласованного темнового опорного датчика в дифференциальной конфигурации или реализацию программной компенсации.

8. Техническое сравнение и отличительные особенности

По сравнению с другими оптическими детекторами:

• по сравнению с фотодиодом:Фототранзистор обеспечивает внутреннее усиление по току (β или h_FE), что приводит к гораздо более высокому выходному току при том же уровне освещенности. Это упрощает проектирование схемы, так как требуется меньше последующего усиления. Однако фототранзисторы, как правило, медленнее (большее время нарастания/спада) и имеют более ограниченный линейный диапазон, чем фотодиоды.
• по сравнению с фотодарлингтоном:Фотодарлингтон обеспечивает еще большее усиление, чем стандартный фототранзистор, но имеет значительно более медленное время отклика и более высокое напряжение насыщения (V_CE(SAT)). LTR-209 предлагает хороший баланс между усилением, скоростью и падением напряжения.
• Отличительная особенность LTR-209:Егопрозрачный корпусиинтегрированная линзаявляются ключевыми отличиями. Многие конкурирующие фототранзисторы используют черные эпоксидные корпуса, которые ослабляют свет. Прозрачный корпус LTR-209 максимизирует чувствительность, а линза помогает фокусировать падающий свет на активную область, улучшая направленность и силу сигнала.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 Что означает код "BIN" и почему это важно?

Код BIN (C, D, E, F) классифицирует устройство на основе измеренного тока коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)). Это важно, потому что он гарантирует определенный диапазон характеристик. Использование устройства из неправильного бина может привести к недостаточной или избыточной чувствительности вашей схемы, вызывая сбои. Всегда указывайте требуемый бин при заказе.

9.2 Можно ли использовать этот датчик с источником видимого света?

Хотя кремниевый материал действительно реагирует на видимый свет, его пиковая чувствительность находится в ближней инфракрасной области (см. подразумеваемый Рис. 5). Для оптимальной производительности и во избежание помех от окружающего видимого света настоятельно рекомендуется использовать его в паре с инфракрасным излучателем (обычно 850нм, 880нм или 940нм) и устанавливать ИК-пропускающий фильтр на детектор.

9.3 Как преобразовать выходной сигнал в цифровой?

Самый простой метод — подключить выход (узел коллектора) ко входу инвертора с триггером Шмитта или компаратора с гистерезисом. Это преобразует аналоговый размах напряжения в чистый цифровой сигнал, невосприимчивый к шуму. Порог компаратора должен быть установлен между уровнями выходного напряжения "свет" и "темнота".

9.4 Почему мой выходной сигнал нестабилен в яркой и горячей среде?

Вероятно, это связано с комбинированным эффектом высокого темнового тока (увеличивающегося с температурой согласно Рис. 1) и реакции на окружающий свет. Решения включают: 1) Добавление физического экрана или трубки для ограничения поля зрения, 2) Использование модулированного ИК-источника и синхронного детектирования, 3) Реализацию температурно-стабильной схемы смещения или компенсации.

10. Практический пример проектирования

Сценарий:Проектирование датчика обнаружения бумаги для принтера.

Реализация:ИК-светодиод и LTR-209 размещаются по разные стороны пути бумаги, выровненные для создания луча. При наличии бумаги она блокирует луч. Фототранзистор настроен в схеме с общим эмиттером с R_L= 4,7 кОм и V_CC= 5В.

Выбор компонентов и расчеты:Выберите устройство из BIN D (I_C(ON)= 1,6-4,8 мА). При отсутствии бумаги (луч не прерван) предположим I_C= 3 мА (тип.). V_OUT= 5В - (3мА * 4,7кОм) = 5В - 14,1В = -9,1В. Это невозможно, что означает насыщение транзистора. В насыщении V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0,4В (сигнал LOW). Когда бумага блокирует луч, I_C≈ I_CEO(очень мал, ~нА), поэтому V_OUT≈ 5В (сигнал HIGH). Вывод GPIO микроконтроллера может считывать этот сигнал HIGH/LOW напрямую для обнаружения наличия бумаги. Рекомендуется установить развязывающий конденсатор (например, 100нФ) на выводах питания датчика для фильтрации шума.

11. Принцип работы

Фототранзистор — это биполярный транзистор (BJT), в котором область базы подвергается воздействию света. Падающие фотоны с достаточной энергией создают электрон-дырочные пары в переходе база-коллектор. Эти фотосгенерированные носители увлекаются внутренним электрическим полем, эффективно действуя как ток базы. Этот "оптический ток базы" затем усиливается коэффициентом усиления по току транзистора (h_FE), что приводит к гораздо большему току коллектора. Величина этого тока коллектора пропорциональна интенсивности падающего света, обеспечивая функцию детектирования. Прозрачный корпус и линза LTR-209 максимизируют количество фотонов, достигающих чувствительного полупроводникового перехода.

12. Тенденции в технологии

Фототранзисторы, такие как LTR-209, представляют собой зрелую и экономичную технологию. Текущие тенденции в оптоэлектронике включают:

• Интеграция:Переход к интегрированным решениям, которые объединяют фотодетектор, усилитель и цифровую логику (например, фото-прерыватели со встроенным логическим выходом) на одном кристалле, сокращая количество внешних компонентов и повышая помехоустойчивость.
• Компоненты для поверхностного монтажа (SMD):Хотя корпуса для монтажа в отверстия остаются популярными для прототипирования и некоторых применений, в отрасли наблюдается сильный сдвиг в сторону более мелких SMD-корпусов (например, SMT-3) для автоматизированной сборки и конструкций с ограниченным пространством.
• Повышенная производительность:Разработка устройств с более быстрым временем отклика, более низким темновым током и улучшенной температурной стабильностью для более требовательных применений в автомобильной, промышленной и потребительской электронике.
• Оптимизация для конкретных применений:Датчики адаптируют для конкретных длин волн (например, для мониторинга сердечного ритма на определенных ИК-длинах волн) или со встроенными фильтрами дневного света.

Фундаментальный принцип работы фототранзистора остается в силе, и такие устройства, как LTR-209, продолжают оставаться надежным выбором для широкого спектра базовых и средних задач детектирования благодаря своей простоте, надежности и низкой стоимости.