Техническая документация LTR-306 - Фототранзистор в боковом корпусе - Ток коллектора до 2.4 мА - Напряжение 30 В

1. Обзор продукта

LTR-306 представляет собой кремниевый NPN фототранзистор в пластиковом корпусе бокового обзора. Этот компонент предназначен для детектирования инфракрасного излучения, преобразуя падающий свет в электрический ток на выводе коллектора. Его основная функция — датчик света в различных электронных схемах, где он действует как светоуправляемый ключ или аналоговый датчик интенсивности света. Ориентация корпуса бокового обзора является ключевой особенностью, означающей, что чувствительная область обращена перпендикулярно направлению выводов, что оптимально для применений, где источник света расположен сбоку от печатной платы.

Основные преимущества данного устройства включают широкий рабочий диапазон тока коллектора, что обеспечивает гибкость проектирования для различных требований к чувствительности. Интегрированная линза спроектирована для повышения чувствительности путем фокусировки падающего инфракрасного света на активную полупроводниковую область. Кроме того, использование недорогого пластикового корпуса делает его экономичным выбором для массовых потребительских и промышленных применений, где важна экономическая эффективность без ущерба для ключевых параметров производительности.

Целевой рынок для LTR-306 охватывает широкий спектр применений, требующих надежного инфракрасного детектирования. Это включает, но не ограничивается, системы обнаружения и подсчета объектов, щелевые датчики (например, в принтерах и торговых автоматах), датчики конца ленты, датчики приближения и оборудование промышленной автоматизации. Его надежная конструкция и заданные характеристики делают его пригодным для интеграции как в простые, так и в сложные электронные системы.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Эти характеристики определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется. Максимальная рассеиваемая мощность составляет 100 мВт при температуре окружающей среды (T_A) 25°C. Напряжение коллектор-эмиттер (V_CE) не должно превышать 30 В, в то время как обратное напряжение эмиттер-коллектор (V_EC) ограничено 5 В. Устройство рассчитано на работу в диапазоне температур окружающей среды от -40°C до +85°C и может храниться при температурах от -55°C до +100°C. Для пайки выводы могут выдерживать 260°C в течение 5 секунд при измерении на расстоянии 1,6 мм от корпуса, что является стандартным требованием для процессов волновой или конвекционной пайки.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Все электрические и оптические параметры указаны при T_A=25°C, что обеспечивает базовый уровень для сравнения производительности.

• Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (V_(BR)CEO):Минимум 30В (I_C= 1мА, E_e=0). Это напряжение, при котором происходит пробой перехода в отсутствие света.
• Напряжение пробоя эмиттер-коллектор (V_(BR)ECO):Минимум 5В (I_E= 100мкА, E_e=0). Этот параметр важен для условий обратного смещения.
• Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(SAT)):Обычно 0,1В, максимум 0,4В (I_C= 100мкА, E_e=1 мВт/см²). Это низкое напряжение указывает на хорошие переключательные характеристики, когда транзистор полностью открыт.
• Время нарастания (T_r) и время спада (T_f):Максимум 20 мкс каждое (V_CC=5В, I_C=1мА, R_L=1кОм). Эти параметры определяют скорость переключения фототранзистора в ответ на световой импульс.
• Темновой ток коллектора (I_CEO):Максимум 100 нА (V_CE= 10В, E_e=0). Это ток утечки при отсутствии света, критический параметр для чувствительности при слабом освещении и отношения сигнал/шум.

3. Объяснение системы сортировки (бининг)

LTR-306 использует систему сортировки для своего ключевого параметра — тока коллектора в открытом состоянии (I_C(ON)). Биннинг — это процесс контроля качества и сортировки, который группирует компоненты на основе измеренной производительности в заданных диапазонах. Это обеспечивает согласованность для конечного пользователя. Устройство тестируется в стандартных условиях (V_CE= 5В, E_e= 1 мВт/см², λ=940нм).

Бины обозначены от A до F, каждый представляет собой определенный диапазон I_C(ON):

• Бин A:от 0,20 мА до 0,60 мА
• Бин B:от 0,40 мА до 1,08 мА
• Бин C:от 0,72 мА до 1,56 мА
• Бин D:от 1,04 мА до 1,80 мА
• Бин E:от 1,20 мА до 2,40 мА
• Бин F:Минимум 1,60 мА (верхний предел в предоставленных данных не указан)

Эта система позволяет разработчикам выбрать бин, соответствующий требуемой чувствительности их схемы. Например, схема, требующая высокого выходного тока для прямого управления реле или светодиодом, может указывать бин E или F, в то время как схема датчика с низким энергопотреблением может использовать бин A или B для минимизации потребляемой мощности.

4. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены несколько типовых характеристических кривых, которые иллюстрируют, как ключевые параметры изменяются в зависимости от условий эксплуатации. Они необходимы для понимания поведения устройства за пределами точечных характеристик.

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

Эта кривая показывает, что темновой ток коллектора (I_CEO) экспоненциально возрастает с увеличением температуры окружающей среды. При -40°C он находится в диапазоне пикоампер, но может возрасти примерно до 100 мкА при 120°C. Эта характеристика критически важна для применений при высоких температурах, поскольку возрастающий темновой ток действует как смещение или источник шума, потенциально снижая эффективную чувствительность и динамический диапазон датчика.

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

Этот график демонстрирует снижение максимально допустимой рассеиваемой мощности при увеличении температуры окружающей среды. Хотя устройство может рассеивать 100 мВт при 25°C, этот показатель должен быть линейно уменьшен при более высоких температурах для предотвращения теплового разгона и обеспечения надежности. Кривая предоставляет необходимые данные для теплового управления при проектировании применения.

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

Этот график показывает компромисс между скоростью переключения и сопротивлением нагрузки. Время нарастания и спада (T_r, T_f) значительно увеличиваются с ростом значения нагрузочного резистора (R_L). Для нагрузки 1кОм время составляет около 20мкс, но может превышать 150мкс для нагрузки 10кОм. Разработчики должны выбирать R_Lдля балансировки потребности в быстром времени отклика и желаемого размаха выходного напряжения или уровня тока.

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

Это фундаментальная передаточная характеристика. Она показывает, что ток коллектора относительно линейно зависит от облученности падающего света (E_e) в нижнем диапазоне (0-2 мВт/см²) при фиксированном V_CE=5В. Эта линейная область — где устройство может использоваться для аналогового измерения света. При более высоких уровнях облученности отклик может начать насыщаться.

4.5 Диаграмма чувствительности (Рис. 5)

Эта полярная диаграмма иллюстрирует угловую чувствительность фототранзистора. Относительная чувствительность отображается в зависимости от угла падения света. Она показывает, что устройство имеет определенный угол обзора, где чувствительность максимальна (обычно по оси, 0°). Чувствительность уменьшается по мере смещения источника света от оси. Эта диаграмма жизненно важна для механического выравнивания в конечном применении, чтобы обеспечить оптимальную связь между источником света и датчиком.

5. Механическая информация и данные по корпусу

LTR-306 использует пластиковый корпус бокового обзора. Размеры приведены в техническом описании, все измерения в миллиметрах (дюймы в скобках). Ключевые допуски размеров обычно составляют ±0,25 мм, если не указано иное. Расстояние между выводами измеряется в точке выхода выводов из корпуса, что критически важно для проектирования посадочного места на печатной плате. Корпус включает линзу, отлитую в пластике, для повышения эффективности сбора света. Ориентация бокового обзора означает, что активная чувствительная область находится на боковой стороне компонента, а не сверху. На чертеже корпуса четко указана полярность (выводы эмиттера и коллектора), что необходимо для правильной сборки печатной платы.

6. Рекомендации по пайке и монтажу

Устройство подходит для стандартных процессов сборки печатных плат. Предельная характеристика указывает, что выводы могут выдерживать температуру пайки 260°C в течение 5 секунд при измерении на расстоянии 1,6 мм (0,063") от корпуса. Этот рейтинг совместим с типичными профилями волновой и конвекционной пайки. Рекомендуется следовать стандартным рекомендациям JEDEC или IPC по обращению с чувствительностью к влаге, если применимо, хотя пластиковый корпус, как правило, надежен. Во время пайки следует избегать чрезмерного термического напряжения на корпусе. После сборки очистку следует проводить растворителями, совместимыми с пластиковым материалом. Для хранения следует соблюдать указанный диапазон от -55°C до +100°C, и компоненты обычно поставляются в влагозащитных пакетах с осушителем.

7. Рекомендации по применению

7.1 Типовые сценарии применения

• Обнаружение/прерывание объекта:Используется в паре с инфракрасным светодиодом для обнаружения наличия или отсутствия объекта, прерывающего луч. Распространено в принтерах, копировальных аппаратах, торговых автоматах и промышленных счетчиках.
• Датчик приближения:Обнаружение отражения инфракрасного света от близлежащего объекта.
• Световой барьер/щелевые датчики:Обнаружение края ленты, бумаги или другого материала.
• Энкодеры:Используются в оптических роторных или линейных энкодерах для считывания паттернов на кодовом диске или полосе.
• Простые приемники пультов дистанционного управления:Для базового обнаружения инфракрасных команд (хотя для сложных протоколов более распространены специализированные приемные модули).

7.2 Вопросы проектирования

• Смещение:Фототранзистор может использоваться в двух распространенных конфигурациях: ключевой режим (с подтягивающим резистором) или аналоговый режим (в конфигурации усилителя с общим эмиттером). Значение нагрузочного резистора (R_L) критически влияет как на выходное напряжение/ток, так и на скорость отклика (см. Рис. 3).
• Защита от фонового освещения:Для надежной работы в условиях изменяющегося фонового освещения (например, солнечный свет, комнатное освещение) часто необходима модуляция инфракрасного источника и соответствующая фильтрация или демодуляция сигнала фототранзистора.
• Линза и выравнивание:Правильное механическое выравнивание между инфракрасным излучателем и фототранзистором, с учетом его ориентации бокового обзора и диаграммы угловой чувствительности (Рис. 5), необходимо для максимизации силы сигнала и надежности.
• Температурные эффекты:Проектирование должно учитывать изменение темнового тока (Рис. 1) и чувствительности с температурой, особенно в уличных или суровых условиях.
• Электрические помехи:В чувствительных аналоговых схемах может потребоваться экранирование и правильное заземление для предотвращения наводок на высокоимпедансном узле фототранзистора.

8. Техническое сравнение и отличия

По сравнению со стандартным фотодиодом, фототранзистор, такой как LTR-306, обеспечивает внутреннее усиление, что приводит к гораздо более высокому выходному току при том же световом входе. Это устраняет необходимость во внешнем транс-импедансном усилителе во многих простых схемах обнаружения, уменьшая количество компонентов и стоимость. По сравнению с другими фототранзисторами, конкретные преимущества LTR-306 заключаются в егокорпусе бокового обзора, который представляет собой отличный механический форм-фактор, подходящий для определенных оптических путей, егоширокой сортировке тока коллектора, обеспечивающей гибкость, и егоинтегрированной линзе для повышенной чувствительности. Его заданные времена нарастания/спада и номинальные напряжения делают его надежным универсальным компонентом для применений со средней скоростью.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В: Что означает код бина (A, B, C и т.д.) для моего проекта?

О: Код бина указывает гарантированный диапазон тока коллектора, который устройство будет выдавать в стандартных условиях испытаний. Выберите бин, который обеспечивает достаточный сигнальный ток для вашей последующей схемы (например, компаратора, АЦП микроконтроллера), учитывая при этом энергопотребление. Более высокие бины (E, F) дают больший ток, но могут иметь несколько более высокий темновой ток.

В: Могу ли я использовать этот датчик при солнечном свете?

О: Прямой солнечный свет содержит значительное количество инфракрасного излучения, которое насытит датчик и сделает его непригодным для обнаружения отдельного ИК-источника. Для использования на открытом воздухе обязательны оптическая фильтрация (ИК-пропускающий фильтр, блокирующий видимый свет) и/или модулированные источники света с синхронным детектированием.

В: Почему время нарастания/спада зависит от нагрузочного резистора?

О: Скорость фототранзистора ограничена постоянной времени RC, образованной его емкостью перехода и сопротивлением нагрузки (R_L). Большее R_Lсоздает большую постоянную времени, замедляя изменение напряжения на коллекторе, тем самым увеличивая время нарастания и спада. Для более быстрого отклика используйте меньшее R_L, но это также уменьшит размах выходного напряжения.

В: Как интерпретировать диаграмму чувствительности?

О: Диаграмма показывает относительный отклик датчика на свет, падающий под разными углами. Значение 1,0 (или 100%) обычно соответствует 0° (прямо на линзу). Кривая показывает, насколько уменьшается сигнал, если источник света смещен. Используйте это для проектирования механического корпуса и элементов выравнивания в вашем изделии.

10. Практический пример проектирования

Сценарий: Проектирование датчика наличия бумаги для принтера.Инфракрасный светодиод размещается с одной стороны пути бумаги, а LTR-306 — прямо напротив, создавая луч. Когда бумаги нет, ИК-свет попадает на фототранзистор, открывая его и опуская напряжение на коллекторе до низкого уровня. Когда бумага проходит, она прерывает луч, фототранзистор закрывается, и напряжение на его коллекторе становится высоким (через подтягивающий резистор). Этот переход напряжения обнаруживается микроконтроллером.

Этапы проектирования:

1. Выберите подходящий бин (например, Бин C), чтобы обеспечить достаточно сильное изменение тока для надежного управления выбранным подтягивающим резистором в ожидаемом диапазоне рабочих температур.

2. Выберите нагрузочный/подтягивающий резистор (R_L). Резистор 4,7 кОм при питании 5В обеспечит хороший размах напряжения. См. Рис. 3, чтобы убедиться, что результирующее время отклика ~100 мкс достаточно быстро для скорости бумаги.

3. Спроектируйте держатель так, чтобы светодиод и LTR-306 были выровнены по оси 0° на диаграмме чувствительности (Рис. 5). Корпус бокового обзора упрощает это, так как оба компонента могут быть установлены на печатной плате плашмя, обращенными друг к другу.

4. Реализуйте драйвер ИК-светодиода с модуляцией (например, меандр 1 кГц), чтобы сделать датчик невосприимчивым к постоянному фоновому ИК-излучению. Затем микроконтроллер будет считывать сигнал датчика синхронно с этой модуляцией.

11. Принцип работы

Фототранзистор — это биполярный транзистор, область базы которого подвергается воздействию света. В LTR-306 (тип NPN) падающие фотоны с достаточной энергией (инфракрасный свет ~940 нм) поглощаются в переходе база-коллектор, генерируя электрон-дырочные пары. Эти фотосгенерированные носители разделяются электрическим полем в обратносмещенном переходе база-коллектор. Результирующий фототок действует как ток базы транзистора. Благодаря коэффициенту усиления тока транзистора (бета/h_FE), этот небольшой фототок усиливается, создавая гораздо больший ток коллектора. Это внутреннее усиление является ключевым отличием от фотодиода. Ток коллектора в основном пропорционален интенсивности падающего света и коэффициенту усиления устройства.

12. Тенденции в технологии

Фототранзисторы, такие как LTR-306, представляют собой зрелую и экономически эффективную технологию для простого светового детектирования. Текущие тенденции в оптоэлектронике включают интеграцию фототранзисторов со схемами усиления и обработки сигналов на кристалле для создания датчиков с цифровым выходом или аналоговых датчиков с улучшенной линейностью и температурной компенсацией. Также наблюдается движение в сторону миниатюризации и корпусов для поверхностного монтажа с еще меньшими размерами. Для более высокоскоростных и точных применений часто предпочтительнее фотодиоды с внешними транс-импедансными усилителями или специализированные оптические ИС. Однако для базовых, недорогих задач детектирования со средней скоростью дискретные фототранзисторы остаются весьма актуальными благодаря своей простоте, надежности и малому количеству компонентов.