LTR-C951-TB 紅外線發射器與接收器規格書 - 5mm封裝 - 30V集極-射極電壓 - 940nm - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-C951-TB 是一款專為感測應用設計的分離式紅外線光電晶體元件。它屬於廣泛的光電元件家族，適用於需要可靠紅外線偵測的系統。此元件的主要功能是將入射的紅外線光轉換為其集極-射極端子上對應的電氣訊號。其設計針對自動化組裝製程與標準表面黏著技術生產線進行了優化。

此元件的核心優勢在於其採用光電晶體結構，提供內部增益，相較於基礎的光電二極體具有更高的靈敏度。整合的黑色環氧樹脂圓頂透鏡有助於定義視角，並能提供一定程度的環境光抑制，儘管此特定型號的規格書並未說明其配備專用的可見光雜訊濾波器。此元件標示為符合 RoHS 與綠色產品規範。

其目標市場與應用明確地導向具成本效益、高產量的消費性與工業電子產品。主要的應用領域包括遙控系統的紅外線接收器，以及用於接近感測、物體偵測和基本資料傳輸連結（其中高速性能並非主要需求）的 PCB 安裝式紅外線感測器。

2. 技術規格深入解析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。不建議在超過這些數值的條件下操作元件。

• 功率消耗 (P_D):100 mW。此為元件在環境溫度 (T_A) 25°C 下，能以熱能形式散發的最大功率。超過此限制有熱失控和故障的風險。
• 集極-射極電壓 (V_CEO):30 V。在基極開路（光電晶體模式）下，可施加於集極與射極接腳之間的最大電壓。
• 射極-集極電壓 (V_ECO):5 V。可施加於射極與集極之間的最大反向電壓。
• 操作溫度範圍 (T_opr):-40°C 至 +85°C。保證元件能符合其公佈電氣規格的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍 (T_stg):-55°C 至 +100°C。在不施加電源的情況下儲存元件的溫度範圍。
• 紅外線迴焊條件:峰值溫度 260°C，最長 10 秒。此定義了 SMT 組裝的熱曲線耐受度。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在 T_A=25°C 的特定測試條件下量測，定義了元件的典型性能。

• 集極-射極崩潰電壓 (V_(BR)CEO):30 V (最小值)。在特定測試條件下確認絕對最大額定值 (I_R= 100µA，無光照)。
• 射極-集極崩潰電壓 (V_(BR)ECO):5 V (最小值)。確認反向電壓額定值。
• 集極-射極飽和電壓 (V_CE(SAT)):0.4 V (最大值)。當光電晶體在光照下完全導通（飽和）時 (E_e=0.5 mW/cm² @ 940nm)，且集極電流 (I_C) 為 100µA，集極與射極之間的電壓降將為 0.4V 或更低。較低的 V_CE(SAT)通常對開關應用更為有利。
• 上升時間 (T_r) 與下降時間 (T_f):15 µs (典型值)。這些參數指定了元件的速度。在測試條件 V_CE=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩ 下，當受光照時，輸出從最終值的 10% 上升到 90% 大約需要 15 微秒；當光線移除時，再需要 15 µs 下降。這表明此元件適用於中低頻率應用（最高至數十 kHz），而非高速資料傳輸。
• 集極暗電流 (I_CEO):100 nA (最大值)。這是當元件處於完全黑暗環境中 (E_e= 0 mW/cm²) 且 V_CE=20V 時，流經集極-射極接面的漏電流。較低的暗電流對於在低光條件下獲得更好的訊噪比是理想的。
• 導通狀態集極電流 (I_C(ON)):5.5 mA (典型值)。這是當元件受到特定 940nm 紅外線輻照度 0.5 mW/cm² 照射，並以 V_CE=5V 偏壓時，所產生的典型集極電流。此參數直接關係到元件的靈敏度。

3. 性能曲線分析

規格書中提及典型電氣/光學特性曲線章節。雖然文本中未提供具體圖表，但我們可以推斷其標準內容及其對設計的重要性。

像 LTR-C951-TB 這類光電晶體的典型曲線應包括：

• 集極電流 (I_C) 對輻照度 (E_e):這是最關鍵的曲線，顯示了在不同集極-射極電壓 (V_CE) 下，入射光功率與輸出電流之間的關係。它展示了響應的線性度（或非線性度），並允許設計師計算達到所需輸出電流所需的輻照度。
• 集極電流 (I_C) 對集極-射極電壓 (V_CE):這些是針對不同輻照度水平繪製的輸出特性曲線。它們顯示了光電晶體的操作區域（飽和區與主動區），有助於選擇適當的負載電阻 (R_L)。
• 光譜響應:顯示元件對不同波長光線相對靈敏度的曲線。雖然元件使用 940nm 光進行測試，但此曲線會顯示其對其他紅外線波長（例如 850nm、880nm）以及可能可見光的響應，表明若需要特定波長隔離，則需要光學濾波。
• 溫度相依性:顯示暗電流 (I_CEO) 和靈敏度等關鍵參數在操作溫度範圍內如何變化的曲線。暗電流通常隨溫度呈指數增長，這在高溫或精密應用中可能是關鍵因素。

設計師必須參考這些圖表，以在其特定電路和環境條件下準確模擬元件的行為，因為表格中的典型值僅提供在 25°C 下的快照。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外型尺寸

此元件遵循標準封裝外型。提供的尺寸圖（規格書中引用）指定了物理尺寸、接腳間距和透鏡幾何形狀。主要特點包括帶有圓頂透鏡的黑色環氧樹脂本體，有助於控制感測器的方向性響應（視角）。封裝設計與自動取放設備相容，便於大量生產。

4.2 極性識別

光電晶體是極性元件。規格書的外型圖將清楚標示接腳配置：集極 (C) 和射極 (E)。在 PCB 組裝過程中連接極性錯誤將導致元件無法運作。

4.3 建議焊墊佈局與封裝尺寸

規格書包含建議焊墊尺寸圖。這是 PCB 佈局設計師的關鍵參考。它提供了印刷電路板上建議的銅焊墊幾何形狀（尺寸和形狀），以確保在迴焊過程中形成可靠的焊點，同時最大限度地減少對元件的應力。遵循這些建議對於製造良率和長期可靠性至關重要。

此外，捲帶與捲盤封裝尺寸章節詳細說明了為自動化組裝提供的元件包裝方式。它指定了載帶尺寸、口袋間距、捲盤直徑（7 英寸）以及元件在載帶內的方向。此資訊對於正確設定 SMT 貼片機程式至關重要。

5. 組裝、儲存與操作指南

5.1 焊接與迴焊曲線

此元件適用於紅外線迴焊製程。絕對最大條件為峰值溫度 260°C，最長 10 秒。規格書建議遵循 JEDEC 標準的迴焊曲線，通常包括預熱階段（150-200°C）、受控升溫至峰值溫度，以及受控冷卻階段。同時強調需遵守焊膏製造商的規格。對於手動維修，烙鐵溫度不應超過 300°C，每個焊點接觸時間最長 3 秒。

5.2 儲存條件

濕度敏感性是塑膠 SMD 元件的關鍵因素。LED/光電晶體包裝在帶有乾燥劑的防潮袋中。

• 密封包裝:應儲存在 ≤30°C 且相對濕度 (RH) ≤90% 的環境中。在此條件下的保存期限為一年。
• 已開封包裝:暴露於環境空氣中的元件應儲存在 ≤30°C 且相對濕度 ≤60% 的環境中。強烈建議在開封袋子後一週（168 小時）內完成紅外線迴焊製程。若需在原始包裝外長時間儲存，元件必須儲存在帶有乾燥劑的密封容器中或氮氣環境中。若儲存超過一週，在焊接前需要進行至少 20 小時、60°C 的烘烤，以去除吸收的水分並防止迴焊過程中發生爆米花損壞。

5.3 清潔

如果需要進行焊後清潔，應僅使用異丙醇 (IPA) 等酒精類溶劑。強烈或侵蝕性的化學清潔劑可能會損壞環氧樹脂透鏡或封裝體。

6. 包裝與訂購資訊

LTR-C951-TB 以標準 EIA 包裝供應，用於自動化組裝。元件裝入壓紋載帶，然後捲繞到直徑 7 英寸的捲盤上。每捲包含 1500 個元件。載帶有封蓋以在處理和運輸過程中保護元件。規格書註明符合 ANSI/EIA 481-1-A-1994 捲帶與捲盤包裝規範。

7. 應用設計考量

7.1 典型應用電路

規格書提供了基本的驅動電路建議。光電晶體是一種電流輸出裝置。在典型的開關應用中，它以共射極組態連接：

• 集極透過一個負載電阻 (R_CC) 連接到電源電壓 (V_L)。
• 射極連接到接地。
• 輸出訊號取自集極節點。

當沒有光線入射時，光電晶體關閉（高阻抗），集極的輸出電壓被拉高至 V_CC（減去流經 R_L 的微小暗電流壓降）。當受光照時，光電晶體導通，電流流動，輸出電壓降至低電平（接近 V_CE(SAT)）。R_L 的值是根據所需的輸出電壓擺幅、速度（因為它與電路寄生參數形成 RC 時間常數）以及可用的光電流 (I_C(ON)) 來選擇的。

7.2 設計注意事項與警告

• 環境光抗擾性:黑色透鏡提供了一些濾波功能，但在具有強環境紅外線（陽光、白熾燈泡）的環境中操作時，可能需要額外的外部紅外線通過/可見光阻擋光學濾波器來改善訊噪比。
• 速度限制:由於上升/下降時間在數十微秒級別，此元件不適用於高速資料通訊（例如 IrDA）。它非常適合遙控編碼（例如 RC-5、NEC）和簡單的開/關偵測。
• 線性操作偏壓:如果用作線性（類比）模式而非開關，元件必須在其主動區操作 (V_CE> V_CE(SAT))。必須考慮 I_C 對 E_e 曲線中顯示的非線性特性。
• 應用範圍:規格書包含標準警告，說明此元件適用於通用電子產品。需要極高可靠性的應用，特別是生命維持、安全或運輸系統，需要事先諮詢並可能需要元件級別的認證。

8. 工作原理

光電晶體是一種雙極性接面電晶體，其基極區域暴露於光線下，而非電氣接觸。基極-集極接面充當光電二極體。當具有足夠能量（此處為紅外線）的光子撞擊此接面時，會產生電子-電洞對。此光生電流充當電晶體的基極電流 (I_B)。然後電晶體透過其直流電流增益 (h_FE) 放大此電流，產生更大的集極電流 (I_C= h_FE* I_B(photo))。這種內部增益是光電晶體相較於沒有內部放大的簡單光電二極體具有高靈敏度的原因。黑色環氧樹脂封裝容納半導體晶片並形成圓頂透鏡，將入射光聚焦到敏感區域。

9. 基於技術參數的常見問題

Q1: 此元件的典型視角是多少？

A1: 規格書未指定具體的數值視角。黑色圓頂透鏡通常提供中等視角（例如，此類封裝常見為 ±20° 至 ±40°），但確切值應從詳細外型圖確認或聯繫製造商。

Q2: 我可以將此元件與 850nm 紅外線 LED 搭配使用嗎？

A2: 此元件使用 940nm 光進行測試，其 I_C(ON) 規格也是基於此波長。光電晶體通常在近紅外線範圍具有寬廣的光譜響應。它很可能對 850nm 光有響應，但靈敏度可能不同。為了獲得最佳性能和可預測的訊號水平，建議將其與峰值靈敏度波長（可能約為 940nm）的紅外線發射器配對使用。請參考光譜響應曲線。

Q3: 我該如何選擇負載電阻 (R_L) 的值？

A3: R_L 的選擇基於您的電源電壓 (V_CC)、所需的輸出邏輯電平以及要求的速度。對於 5V 電源：為了確保電晶體導通時有良好的邏輯低電平（例如<0.8V），R_L ≤ (V_CC- V_CE(SAT)) / I_C(ON)。假設 V_CC=5V，V_CE(SAT)=0.4V，I_C(ON)=5.5mA，則 R_L ≤ (5-0.4)/0.0055 ≈ 836Ω。標準的 1kΩ 電阻是常見選擇，在電流消耗和輸出擺幅之間提供了良好的折衷。為了更快的速度，較小的 R_L 更好（減少 RC 時間常數），但會增加功耗。

Q4: 為什麼暗電流很重要？

A4: 暗電流 (I_CEO) 設定了感測器的雜訊基底。在黑暗環境中，此電流仍會流經 R_L，產生微小的電壓降。這限制了可偵測的最小光訊號。在高溫應用中，暗電流會顯著增加並可能使輸出飽和，導致感測器無法使用。