LTR-5576D 光電晶體規格書 - 3.0x2.8x1.9mm 封裝 - Vce 30V - 功率 100mW - 深綠色濾光 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-5576D 是一款專為紅外線偵測應用設計的矽質 NPN 光電晶體。其主要功能是將入射的紅外線光轉換為集極端的電氣訊號。此元件的關鍵區別特徵在於其特殊的深綠色塑膠封裝。此封裝材料經過特別選用，旨在衰減或阻隔可見光波長，從而增強元件對紅外線輻射的靈敏度與選擇性。這使其特別適用於需要區分環境可見光與目標紅外線訊號的應用場合。

LTR-5576D 的核心優勢包括寬廣的集極電流工作範圍，提供了設計上的靈活性。它對紅外線光具有高靈敏度，即使在較低的輻照度下也能確保可靠的偵測。此外，它擁有快速的切換時間，其上升與下降時間均在微秒級別，使其能夠應用於需要快速響應的場合，例如數據通訊鏈路、物體偵測與速度感測。

2. 深入技術參數分析

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極限。其規格是在環境溫度 (T_A) 為 25°C 下定義的。

• 功率消耗 (P_D):100 mW。這是元件能以熱能形式消耗的最大功率。超過此限制有引發熱失控和故障的風險。
• 集極-射極電壓 (V_CEO):30 V。在基極開路（浮接）狀態下，可施加於集極與射極之間的最大電壓。
• 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。
• 工作溫度範圍:-40°C 至 +85°C。在此環境溫度範圍內，元件保證能依據其電氣規格正常運作。
• 儲存溫度範圍:-55°C 至 +100°C。元件在不運作狀態下儲存而不會劣化的溫度範圍。
• 引腳焊接溫度:260°C 持續 5 秒，測量點距離封裝本體 1.6mm。此定義了迴流焊接製程的約束條件。

2.2 電氣與光學特性

這些參數定義了元件在特定測試條件下 (T_A=25°C) 的性能表現。

• 集極-射極崩潰電壓, V_(BR)CEO:30 V (最小值)。在 I_C= 1mA 且零輻照度 (E_e= 0 mW/cm²) 下量測。
• 射極-集極崩潰電壓, V_(BR)ECO:5 V (最小值)。在 I_E= 100μA 且零輻照度下量測。
• 集極-射極飽和電壓, V_CE(SAT):0.4 V (最大值)。當元件完全導通時，其兩端的電壓降，測試條件為 I_C= 50μA 且 E_e= 0.5 mW/cm²。低 V_CE(SAT)對於高效能切換是理想的。
• 切換時間:
  • 上升時間 (T_r):15 μs (典型值)。輸出電流從其最終值的 10% 上升到 90% 所需的時間。
  • 下降時間 (T_f):18 μs (典型值)。輸出電流從其初始值的 90% 下降到 10% 所需的時間。測試條件為 V_CC=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ。
• 集極暗電流 (I_CEO):100 nA (最大值)。當無光入射 (E_e= 0 mW/cm²) 且 V_CE= 10V 時，流經集極的漏電流。低暗電流對於微光偵測中的良好訊噪比至關重要。
• 導通狀態集極電流比 (R):定義為 I_L1/I_L2，典型值為 1.0，最小/最大值為 0.8/1.25。此參數與特定測試條件下電流輸出的穩定性相關。

3. 分級系統說明

LTR-5576D 採用基於平均導通狀態集極電流 (I_C(ON)) 的分級系統。此電流是在標準化條件下量測的：V_CE= 5V 且輻照度 (E_e) 為 1 mW/cm²。元件根據其量測到的 I_C(ON)範圍被分類到不同的等級 (A 至 F)。每個等級都對應一個特定的顏色標記以便識別。

提供了兩組限制：較嚴格的生產設定範圍用於製造過程中的分選，以及較寬鬆的品質管制 (Q.C.) 限制用於最終驗收測試。

此分級系統允許設計師根據其特定電路需求，選擇具有一致靈敏度的元件，確保在大量生產中獲得可預測的性能。

4. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，用以說明元件在不同條件下的行為。

4.1 集極暗電流 vs. 環境溫度 (圖 1)

此曲線顯示集極暗電流 (I_CEO) 隨著環境溫度升高呈指數增長。在 25°C 時，其處於奈安培範圍，但在工作溫度範圍的上限 (+85°C) 可能會顯著增加。此特性對於設計必須在寬廣溫度範圍內保持穩定性的電路至關重要，因為增加的暗電流會成為偏移或雜訊源。

4.2 集極功率降額 vs. 環境溫度 (圖 2)

此圖表描繪了最大允許功率消耗隨環境溫度升高而降額的情況。在 25°C 時，元件可以消耗完整的 100 mW。隨著溫度升高，此最大功率必須線性降低，以防止超過接面溫度限制。此曲線對於熱管理及確保在高溫環境下可靠運作至關重要。

4.3 上升與下降時間 vs. 負載電阻 (圖 3)

此圖表展示了切換速度 (T_r, T_f) 與連接至集極的負載電阻 (R_L) 之間的關係。切換時間隨著負載電阻減小而減少。這是因為較小的 R_L允許光電晶體的接面電容及電路中任何寄生電容更快地充放電。設計師可以利用此曲線來優化 R_L，以在切換速度與輸出訊號振幅之間取得理想的平衡。

4.4 相對集極電流 vs. 輻照度 (圖 4)

此曲線顯示了光電晶體的轉換函數：入射紅外線輻照度 (E_e，單位 mW/cm²) 與產生的集極電流 (I_C) 之間的關係。此曲線在特定範圍內通常是線性的。這種線性對於類比感測應用非常重要，因為輸出電流應與光強度成正比。此圖表是在 V_CE= 5V 的條件下繪製的。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

LTR-5576D 採用標準的 3 引腳側視封裝。主要尺寸（單位：毫米）如下，除非另有說明，一般公差為 ±0.15mm：

• 封裝本體：長度約 3.0mm，高度約 2.8mm，深度約 1.9mm（不包含引腳）。
• 引腳間距：引腳中心之間的距離為標準值，測量點位於引腳從封裝本體伸出的位置。
• 樹脂突出：法蘭下方樹脂最大可能突出 1.5mm。

封裝的深綠色塑膠材料是其功能的關鍵部分，用於濾除可見光。

5.2 極性識別

元件有三個引腳：射極、集極和基極（在某些配置中通常不連接或用於偏壓電阻）。此封裝類型的引腳排列是標準的，但設計師必須始終參考規格書中的詳細封裝圖以確保正確方向。錯誤連接可能損壞元件。

6. 焊接與組裝指南

處理和組裝光電晶體時需要小心，以避免靜電放電 (ESD) 和過熱造成的損壞。

• ESD 預防措施:元件對 ESD 敏感。必須遵循適當的 ESD 安全處理程序，包括使用接地腕帶和導電工作檯面。
• 迴流焊接:引腳焊接的絕對最大額定值為 260°C 持續 5 秒，測量點距離封裝本體 1.6mm。這對應於標準的無鉛迴流焊接製程曲線。必須仔細控制製程曲線，以避免熱衝擊或超過此限制。
• 波峰焊接:如果使用波峰焊接，應進行適當的預熱，以盡量減少對塑膠封裝的熱應力。
• 清潔:使用與深綠色塑膠材料相容的清潔溶劑，以避免變色或劣化。
• 儲存:在 -55°C 至 +100°C 的指定溫度範圍內，儲存於乾燥、具 ESD 防護的環境中。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 物體偵測與接近感測:用於自動水龍頭、烘手機、擦手紙分配器和安全系統等設備中，透過反射紅外線光束來偵測物體的存在與否。
• 工業自動化:用於計算輸送帶上的物件數量、偵測機械零件的位置，或用於光學編碼器以提供速度和位置回饋。
• 消費性電子產品:用於遙控接收器（儘管通常與專用 IC 配對）、用於顯示器亮度控制的環境光感測器，以及印表機或光碟機中的槽型感測器。
• 基本數據鏈路:用於簡單、短距離的紅外線數據傳輸（例如，符合 IrDA 規範的低速系統）。

7.2 設計考量

• 偏壓電路:光電晶體可用於兩種常見配置：簡單的開關（帶上拉電阻）或用於類比感測的線性模式。負載電阻 (R_L) 的值至關重要，它會影響增益、頻寬（切換速度）和輸出電壓擺幅。
• 環境光抑制:深綠色封裝提供了顯著的可見光抑制能力，但並非完美。對於高環境光的環境，可能需要額外的光學濾波、調變的紅外線訊號或同步偵測技術來提高訊號完整性。
• 溫度補償:如曲線所示，暗電流隨溫度升高而增加。對於精密的類比感測，電路可能需要溫度補償，或將元件用於差分配置以抵消與溫度相關的偏移。
• 透鏡與外殼設計:感測器的視野由其封裝決定。可以根據應用需求使用外部透鏡或孔徑來聚焦或限制感測區域。

8. 技術比較與差異化

LTR-5576D 的主要區別在於其深綠色塑膠封裝。與標準的透明或無色封裝相比，這提供了對可見光的固有濾波功能，簡化了在環境可見光波動環境中的光學設計。其快速切換時間（在 15-18 μs 範圍內）使其適用於需要比典型光電晶體更快響應的應用，後者的切換時間可能在數十到數百微秒。其全面的分級系統（等級 A-F）為設計師提供了保證的靈敏度範圍，與參數分佈較廣的未分級元件相比，能在大量生產中實現更一致的性能。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

問：深綠色封裝的目的是什麼？
答：深綠色塑膠充當內建的光學濾波器。它衰減大部分可見光譜，同時允許紅外線波長通過到達矽晶片。這顯著降低了感測器對環境室內光、陽光或其他可見光源的響應，使其主要對目標紅外線訊號作出反應。

問：如何選擇合適的負載電阻 (R_L)？
答：選擇涉及權衡。較大的 R_L在給定的光電流下提供更高的輸出電壓擺幅（更高的增益），但會導致較慢的切換速度（參見圖 3）。較小的 R_L提供更快的響應但增益較低。請根據您的優先事項是靈敏度（類比感測）還是速度（數位切換）來選擇 R_L。

問：分級 (A-F) 對我的設計意味著什麼？
答：分級確保了靈敏度的一致性。如果您的電路是為特定電流閾值設計的，使用同一等級的元件可確保它們都在大致相同的光照水平下觸發。混合不同等級可能導致某些單元的靈敏度高於或低於其他單元。請選擇其 I_C(ON)範圍符合您電路工作點的等級。

問：我可以在陽光直射下使用此感測器嗎？
答：雖然深綠色封裝有所幫助，但陽光直射包含大量的紅外線輻射，可能使感測器飽和。對於戶外或高環境紅外線的應用，需要額外的措施，例如針對您特定紅外線源波長調諧的光學帶通濾波器、物理屏蔽，或使用帶有同步偵測的調變紅外線源。

10. 實用設計案例分析

情境：設計擦手紙分配器感測器。
目標是偵測放置在分配器下方的手並啟動馬達。一個紅外線 LED 發射器放置在 LTR-5576D 偵測器的對面。通常，紅外線光束照射到偵測器，產生電流。當手阻斷光束時，電流下降。

設計步驟:
1. 電路配置:將光電晶體用於共射極開關配置。透過負載電阻 R_L將集極連接到電源電壓（例如 5V）。射極接地。輸出電壓取自集極節點。
2. 選擇 R_L:由於速度不是關鍵（手部移動緩慢），優先考慮良好的訊號擺幅。從圖 4 可知，在合理的輻照度下，I_C可能約為 ~500μA（C 級）。選擇 R_L= 10kΩ 可提供 ΔV = I_C* R_L≈ 5V 的電壓擺幅，這對於驅動邏輯輸入非常理想。
3. 分級選擇:選擇一個等級（例如 C 級或 D 級），該等級在所需的感測距離下，配合所選紅外線 LED 的輸出能提供足夠的電流。這確保了可靠的觸發。
4. 環境光抗干擾性:LTR-5576D 的深綠色封裝自動抑制了室內照明的大部分變化，使系統在無需複雜濾波的情況下依然穩健。
5. 輸出調理:集極電壓（光束存在時為高電位，被阻斷時為低電位）可以直接饋入比較器或微控制器 GPIO 引腳進行處理。

11. 工作原理

光電晶體本質上是一種雙極性接面電晶體 (BJT)，其基極電流由光產生而非電氣連接。在 LTR-5576D（NPN 型）中，入射到基極-集極接面的紅外線光子產生電子-電洞對。這些光生載子被反向偏壓的基極-集極接面兩端的電場掃過，產生光電流。此光電流充當電晶體的基極電流 (I_B)。由於電晶體的電流增益 (β 或 h_FE)，集極電流 (I_C) 遠大於原始光電流 (I_C≈ β * I_B)。這種內部放大正是光電晶體相較於簡單的光二極體具有高靈敏度的原因。

12. 技術趨勢

光學感測領域持續發展。與 LTR-5576D 等元件相關的趨勢包括：
整合化:越來越多地將光偵測器與類比前端電路（跨阻放大器、ADC）和數位邏輯整合到單晶片解決方案或模組中。
波長特異性:開發具有更尖銳光譜響應曲線或可調性的偵測器，用於氣體感測或生物分析等特定應用。
微型化:持續縮小封裝尺寸，以適應越來越小的消費性和醫療設備。
性能提升:致力於進一步降低暗電流、提高速度，並增強低功耗應用的靈敏度。光電晶體的基本原理仍然有效，但其實現方式和支援的系統架構持續進步。