LTR-1650D 光电晶体管数据手册 - 封装尺寸 5.0x4.0x3.2mm - 电压 30V - 功率 100mW - 暗透封装 - 中文技术文档

1. 产品概述

LTR-1650D是一款专为红外检测应用设计的硅NPN光电晶体管。它采用低成本、暗透明的塑料封装，能有效滤除可见光，同时透射红外波长（主要在940nm附近）。集成的透镜可将入射红外辐射聚焦到晶体管的有效区域，从而增强器件的灵敏度。该组件设计用于在宽广的工作温度范围内提供可靠性能，适用于各种传感和控制系统。

2. 关键特性与核心优势

• 宽范围集电极电流：该器件提供多种性能等级（A至F），导通集电极电流 (IC(ON)) 选择范围广泛，从最小0.2mA到超过9.6mA，允许设计人员根据特定灵敏度要求选择合适型号。
• 高灵敏度透镜：集成的环氧树脂透镜增加了红外光的有效收集面积，提高了信噪比和整体响应度。
• 高性价比塑料封装：采用标准、经济的塑料外壳，适合大规模生产和广泛的市场应用。
• 特殊暗透明封装：封装材料经过着色处理以衰减可见光，减少环境光源的干扰，并在光线条件波动的环境中增强性能。

3. 深入技术参数分析

3.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了可能导致器件永久损坏的应力极限。不保证在这些条件下运行。

• 功耗 (P_D)：在 T_A=25°C 时为 100 mW。这是器件可以安全耗散为热量的最大功率。
• 集电极-发射极电压 (V_CEO)：30 V。在基极开路的情况下，可以施加在集电极和发射极端子之间的最大电压。
• 发射极-集电极电压 (V_ECO)：5 V。可施加在发射极和集电极之间的最大反向电压。
• 工作温度范围 (T_opr)：-40°C 至 +85°C。器件规定可工作的环境温度范围。
• 储存温度范围 (T_stg)：-55°C 至 +100°C。
• 引脚焊接温度：距离封装本体1.6mm处，260°C下持续5秒。这对于波峰焊或回流焊工艺至关重要。

3.2 电气与光学特性 (T_A=25°C)

以下参数在特定条件下测试，定义了器件的性能。

• 集电极-发射极击穿电压 (V_(BR)CEO)：30 V (最小值)。在无辐照度 (E_C= 0 mW/cm²) 且 I_e= 1mA 条件下测试。
• 发射极-集电极击穿电压 (V_(BR)ECO)：5 V (最小值)。在无辐照度且 I_E= 100µA 条件下测试。
• 集电极-发射极饱和电压 (V_CE(SAT))：0.4 V (最大值)。晶体管完全"导通"时两端的电压降，测试条件为 I_C= 100µA 且 E_e= 1 mW/cm²。低 V_CE(SAT)对于高效开关操作是可取的。
• 上升时间 (T_r) 与下降时间 (T_f)：10 µs (典型值)。这些开关速度参数在 V_CC=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩ 条件下测量。它们决定了光电晶体管对光强变化的响应速度。
• 集电极暗电流 (I_CEO)：100 nA (最大值)。这是器件在完全黑暗 (E_e= 0 mW/cm²) 且 V_CE= 10V 条件下流过集电极的漏电流。低暗电流对于弱光检测中的良好信噪比至关重要。

3.3 导通集电极电流 (I_C(ON)) 分级系统

LTR-1650D 根据其灵敏度被分为不同等级，灵敏度由在标准化条件下 (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm) 测量的导通集电极电流定义。这允许根据应用增益要求进行精确选择。

• 等级 A：0.2 - 0.6 mA
• 等级 B：0.4 - 1.2 mA
• 等级 C：0.8 - 2.4 mA
• 等级 D：1.6 - 4.8 mA
• 等级 E：3.2 - 9.6 mA
• 等级 F：6.4 mA (最小值)

设计人员在订购时应查阅具体的等级代码，以确保光电晶体管满足电路的灵敏度和输出电流需求。

4. 性能曲线分析

数据手册提供了几条特性曲线，说明了关键参数如何随环境和电气条件变化。

4.1 集电极暗电流 vs. 环境温度 (图 1)

该曲线显示集电极暗电流 (I_CEO) 随环境温度升高呈指数增长。这是半导体的基本特性，即热生载流子变得更加普遍。在高温应用中，这种增加的漏电流可能成为显著的噪声源，必须在传感放大器阈值的设计中加以考虑。

4.2 集电极功耗 vs. 环境温度 (图 2)

该图描述了最大允许功耗随环境温度升高而降额的情况。在25°C时，器件可承受100mW。随着温度升高，此额定值线性下降。为了在25°C以上可靠运行，实际耗散功率 (V_CE* I_C) 必须保持在降额曲线以下。这对于防止热失控和确保长期可靠性至关重要。

4.3 上升/下降时间 vs. 负载电阻 (图 3)

该曲线展示了开关速度与负载电阻 (R_L) 之间的权衡。上升和下降时间随着负载电阻增大而增加。这是因为较大的 R_L与光电晶体管的结电容形成了较大的RC时间常数。对于需要快速脉冲检测的应用，应使用较小的负载电阻，尽管这会以降低输出电压摆幅为代价。

4.4 相对集电极电流 vs. 辐照度 (图 4)

该图显示了入射红外辐照度 (E_e) 与产生的集电极电流之间的关系。在一定范围内响应通常是线性的，这对于模拟光传感应用是理想的。该线的斜率代表器件的响应度。理解这一特性对于将传感器输出校准到特定光强水平至关重要。

4.5 灵敏度方向图 (图 5)

该极坐标图说明了光电晶体管灵敏度的角度依赖性。当红外光垂直入射到透镜时 (0°)，灵敏度通常最高。随着入射角增大，灵敏度降低。这一特性对于设计应用中的光路至关重要，例如确保槽型遮断器中的正确对准，或定义接近传感器的视场。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸

该器件采用标准的3mm (T-1) 径向引线封装。关键尺寸包括：

• 封装本体直径：约 5.0mm。
• 封装高度：约 3.2mm (不包括引脚)。
• 引脚间距：在引脚伸出封装处测量，通常为 2.54mm (0.1")。
• 允许法兰下方最大树脂凸起为 1.5mm。

注意：除非另有说明，所有尺寸均以毫米为单位，标准公差为 ±0.25mm。设计人员必须参考详细的机械图纸以进行精确的焊盘布局和放置规划。

5.2 极性识别

光电晶体管有两个引脚：集电极和发射极。较长的引脚通常是集电极。封装上靠近集电极引脚的一侧可能有一个平面或其他标记。正确的极性对于电路正常运行和施加正确的偏置电压至关重要。

6. 焊接与组装指南

• 手工焊接：使用温控烙铁。限制焊接时间，防止过多热量传递到半导体芯片。
• 波峰焊/回流焊：严格遵守最大额定值：距离封装本体1.6mm处，260°C下持续5秒。超过此值可能损坏内部引线键合或环氧树脂封装。
• 清洗：使用与暗透明环氧树脂兼容的适当溶剂。除非已验证对封装安全，否则避免超声波清洗。
• 储存：在规定的 -55°C 至 +100°C 温度范围内，储存在干燥、防静电的环境中，以防止吸湿（可能导致回流焊时"爆米花"效应）和静电放电损坏。

7. 应用建议与设计考量

7.1 典型应用场景

• 物体检测与遮断：用于槽型光电开关（例如，打印机中的纸张检测，3D打印机中的限位传感）。
• 接近传感：与红外LED配对，用于物体的非接触式检测。
• 编码器：检测旋转盘上的图案，用于速度或位置测量。
• 工业控制：用于需要抗环境光干扰的自动化设备中的传感。
• 消费电子：红外遥控接收器（虽然常与专用IC一起使用，但光电晶体管可构成前端）。

7.2 关键设计考量

• 偏置电路：光电晶体管可用于开关（共发射极）或跟随器（射极跟随器）配置。共发射极配置提供电压增益，常用于数字开关。需要一个上拉电阻 (R_L)。
• 选择 R_L:负载电阻的值涉及权衡。对于给定的光电流，较大的 R_L能提供较大的输出电压摆幅，但会减慢开关速度（见图3）。根据所需的速度和信号电平进行选择。
• 环境光抑制：虽然暗封装有所帮助，但强烈的环境红外光源（阳光、白炽灯泡）可能使传感器饱和。考虑使用光学滤光片、调制红外光源以及使用同步检测技术。
• 温度补偿：对于精密模拟传感，必须在信号调理电路中补偿暗电流和灵敏度随温度的变化（图1和图2）。
• 电气噪声：集电极处的高阻抗节点容易受到电磁干扰 (EMI)。保持走线短，必要时使用屏蔽，并考虑在 R_L两端并联一个小电容（例如，10-100pF）以滤除高频噪声，同时注意其对速度的影响。

8. 技术对比与差异化

与基本的光电二极管相比，像LTR-1650D这样的光电晶体管提供内部增益，在相同光输入下产生更大的输出电流，这在简单的开关应用中通常无需额外的外部放大器。与光电达林顿晶体管相比，它提供更快的响应时间（微秒级 vs. 数十/数百微秒），但增益较低。其针对 I_C(ON)的特定分级系统，与那些只有一个宽泛规格的器件相比，允许进行更精确的系统设计。暗透明封装是与透明封装的关键区别，提供了内置的可见光抑制功能。

9. 常见问题解答 (基于技术参数)

9.1 "BIN"规格是什么意思，我该如何选择？

BIN代码（A至F）规定了光电晶体管灵敏度 (I_C(ON)) 的保证范围。根据您特定辐照度水平所需的输出电流选择等级。对于需要更高灵敏度/更低光照水平的应用，选择字母更高的等级（例如，E或F）。对于成本敏感且高增益不关键的应用，较低的等级（A或B）可能就足够了。

9.2 为什么暗电流很重要？

暗电流 (I_CEO) 是无光入射时存在的输出信号。它设定了可检测光的下限，并作为噪声源。在数字开关应用中，电路的检测阈值必须设置在最大预期暗电流之上，尤其是在高温下，暗电流会显著增加。

9.3 负载电阻如何影响性能？

负载电阻 (R_L) 直接影响两个关键参数：输出电压(V_out= I_C* R_L) 和开关速度（见图3）。您必须选择 R_L，以便为您的逻辑电平或ADC输入提供必要的电压摆幅，同时确保上升/下降时间对您的应用数据速率或响应时间足够快。

9.4 我可以在明亮阳光下使用它吗？

暗透明封装提供了一定的抑制能力，但直射阳光包含强烈的红外辐射，很容易使传感器饱和。对于户外使用，必须采取额外措施：物理遮光（遮光罩）、以您的红外光源波长（例如，940nm）为中心的光学窄带滤光片，并且最好在接收器电路中使用调制红外光源和同步检测，以将信号与阳光的稳定直流分量区分开来。

10. 实际设计与使用案例研究

场景：为打印机设计纸张检测传感器。

1. 选型：选择中等灵敏度等级（例如，C或D级），以确保可靠触发，同时不会对灰尘或反射过于敏感。
2. 电路配置：使用共发射极开关配置。将LTR-1650D与一个红外LED（例如，940nm）配对，放置在纸路的另一侧。
3. 元件参数确定：选择一个 R_L值（例如，4.7kΩ），使得当有纸时（阻挡光线，I_C低）输出逻辑低电平（接近0V），当无纸时（有光，I_CC高）输出逻辑高电平（接近 V_C）。验证电压电平与微控制器输入引脚的兼容性。
4. 抗噪性：在 R_L两端并联一个10nF电容，以抑制来自打印机马达的电气噪声。由此产生的速度（约100µs）仍远快于纸张的机械运动。
5. 对准：使用灵敏度方向图（图5）指导机械设计。确保红外LED和光电晶体管在高灵敏度锥角内（例如，±20°）对准，以最大化信号强度。
6. 测试：在最坏情况下测试传感器：高温（检查暗电流增加）和使用各种纸张类型（有些可能对红外光更透明）。

11. 工作原理

光电晶体管本质上是一种双极结型晶体管 (BJT)，其基极电流由光产生，而非电供给。能量大于半导体带隙的入射光子在基极-集电极结区被吸收，产生电子-空穴对。反向偏置的集电极-基极结中的电场扫过这些载流子，有效地产生作为基极电流 (I_B) 的光电流。然后，这个光生基极电流被晶体管的电流增益 (h_FE) 放大，产生大得多的集电极电流 (I_C= h_FE* I_B)。这种内部放大是其相对于简单光电二极管的关键优势。暗透明封装材料充当长通滤光片，允许红外波长（如940nm）通过，同时吸收较短的可见光波长，从而在存在可见光的环境中提高信噪比。

12. 行业趋势与发展

光电子行业持续发展。虽然像LTR-1650D这样的分立光电晶体管对于成本敏感、大批量或特定性能应用仍然至关重要，但更广泛的趋势包括：

• 集成化：将光电探测器与模拟前端放大器、模数转换器 (ADC) 和数字逻辑集成到单芯片解决方案中（例如，环境光传感器、接近传感器模块）。这些方案提供校准的数字输出、更小的占位面积和简化的设计，但单位成本可能更高。
• 小型化：对更小封装尺寸（例如，芯片级封装）的需求，以适应不断缩小的消费电子产品。
• 性能提升：开发具有更低暗电流、更快响应时间（进入纳秒范围）和更高灵敏度的器件，以满足如激光雷达和高速通信等更苛刻的应用。
• 专业化：为特定波长（例如，用于心率监测、气体传感）或内置光谱滤光片而定制的传感器。

分立光电晶体管很可能在那些其简单性、鲁棒性、低成本和特定性能特性（如LTR-1650D的暗封装）提供最佳解决方案的应用中保持其地位。