LTR-S320-DB-L 光電晶體規格書 - EIA 標準封裝 - 940nm 峰值靈敏度 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-S320-DB-L 是一款專為紅外線感測應用設計的高性能矽 NPN 光電晶體。此元件針對近紅外光譜進行優化，其峰值靈敏度特別位於 940nm，使其適用於廣泛的遙控系統、物體偵測及工業自動化任務。其主要功能是將入射的紅外線光轉換為相應的電氣電流。

該元件封裝於符合 EIA 標準的封裝內，並配備黑色日光截止樹脂透鏡。此透鏡能有效濾除可見環境光，顯著降低雜訊和誤觸發，從而提升在背景光照下的訊噪比。此封裝設計旨在與高產量、自動化組裝製程相容，包括載帶供料和紅外線迴焊，符合現代製造要求。

作為符合 RoHS 規範且無鉛的綠色產品，它符合當代環保標準。其光譜響應、封裝設計和製造相容性的結合，使其成為成本敏感且追求性能的紅外線偵測電路中可靠且多功能的解決方案。

2. 技術參數：深入客觀解讀

所有電氣與光學特性均在環境溫度（T_A）為 25°C 時指定，為性能評估提供了標準化的基準。

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。不保證在這些極限下或超過這些極限的操作，電路設計中應避免。

• 功率消耗（P_D）：150 mW。這是元件能以熱量形式散發的最大允許功率。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。當基極開路（光電晶體處於暗態）時，可施加於集極和射極端子之間的最大電壓。
• 操作溫度範圍：-40°C 至 +85°C。元件設計能正常運作的環境溫度範圍。
• 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。
• 紅外線焊接條件：峰值溫度 260°C，最長 10 秒。這定義了無鉛迴焊製程的溫度曲線極限。

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的性能。

• 反向崩潰電壓（V_(BR)R）：最小值 33V，典型值 170V（於 I_R=100µA 時）。此高值表示接面強健，能夠承受顯著的反向偏壓，這對於具有電感性負載或電壓突波的電路有益。
• 反向暗電流（I_D）：最大值 10 nA（於 V_R=10V 時）。這是無光入射時的漏電流。低暗電流對於實現高靈敏度和低雜訊操作至關重要，特別是在低光偵測情境中。
• 開路電壓（V_OC）：典型值 390 mV（當以 940nm 光照射，輻照度（E_e）為 0.5 mW/cm² 時）。此參數與元件用於光伏模式（無外部偏壓）時相關。
• 短路電流（I_SC）：典型值 1.8 µA（測試條件與 V_OC相同，即 V_R=5V，λ=940nm，E_e=0.5 mW/cm²）。這代表輸出短路時產生的光電流。
• 上升時間（T_r）與下降時間（T_f）：最大值各為 30 ns（V_R=10V，R_L=1kΩ）。這些開關速度規格對於需要快速脈衝偵測或高頻調變的應用（例如數據通訊鏈路）至關重要。
• 總電容（C_T）：最大值 1 pF（於 V_R=5V，f=1MHz 時）。低接面電容對於維持快速響應時間至關重要，因為它限制了電路的 RC 時間常數。
• 光譜頻寬（λ_0.5）：750 nm 至 1100 nm。這定義了元件響應度至少為其峰值一半的波長範圍。它涵蓋了許多紅外線發射器（如 850nm 和 940nm LED）使用的常見紅外線區域。
• 峰值靈敏度波長（λ_P）：940 nm。該元件在光譜上與發射 940nm 的紅外線 LED 匹配，確保在此類配對中達到最高效率和訊號強度。

3. 性能曲線分析

規格書參考了典型的特性曲線，這些曲線提供了在不同條件下元件行為的視覺化洞察。雖然具體圖表未在本文中重現，但其典型含義分析如下。

3.1 IV（電流-電壓）特性

一組曲線，繪製了在不同入射輻照度（E_C）水平下，集極電流（I_CE）與集極-射極電壓（V_e）的關係。這些曲線通常顯示，對於固定的輻照度，I_C會隨著 V_CE增加，直到達到飽和區。更高的輻照度水平會使曲線向上移動，表示更大的光電流。主動區的斜率與元件的輸出電導有關。

3.2 相對靈敏度 vs. 波長

此曲線以圖形方式表示光譜響應，在 940nm 處達到峰值，並向 750nm 和 1100nm（λ_0.5點）逐漸衰減。它對於選擇合適的紅外線發射器與偵測器配對，以及評估具有不同光譜的環境光源的影響至關重要。

3.3 溫度依存性

曲線可能顯示關鍵參數如暗電流（I_D）和光電流隨環境溫度的變化。暗電流通常隨溫度呈指數增長（大約每 10°C 翻倍），這在高溫應用中可能是顯著的雜訊來源。光電流也可能具有輕微的負溫度係數。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

該元件符合標準 EIA 封裝外形。所有尺寸均以毫米為單位提供，標準公差為 ±0.10 mm，除非另有說明。封裝特點是在矽晶片上模塑了一個黑色日光截止樹脂透鏡。

4.2 極性識別與接腳定義

光電晶體是一個 2 接腳元件。此類封裝的接腳定義是標準的：集極通常連接到外殼或較長的引腳（如果適用），而射極是另一個接腳。規格書中的圖表提供了明確的識別。正確的極性對於電路的正常運作至關重要。

4.3 建議焊墊佈局

提供了 PCB 設計的建議焊墊圖案（佔位面積），以確保在迴焊過程中形成可靠的焊點。遵循這些尺寸有助於防止墓碑效應、錯位或焊錫角不足。

5. 焊接與組裝指南

5.1 迴焊溫度曲線

提供了適用於無鉛焊接製程的紅外線迴焊溫度曲線的詳細建議。關鍵參數包括：

• 預熱：150°C 至 200°C。
• 預熱時間：最長 120 秒。
• 峰值溫度：最高 260°C。
• 液相線以上時間（峰值時）：最長 10 秒。
• 最大迴焊次數： Two.

該溫度曲線基於 JEDEC 標準，以確保封裝完整性。工程師必須針對其特定的 PCB 設計、元件和焊錫膏來表徵其溫度曲線。

5.2 手工焊接

如果需要手工焊接，烙鐵頭溫度不應超過 300°C，且每個引腳的焊接時間應限制在最長 3 秒。建議僅進行一次手工焊接循環，以避免熱應力。

5.3 清潔

應僅使用指定的清潔劑。建議使用異丙醇（IPA）或乙醇。元件應在常溫下浸泡少於一分鐘。未指定的化學液體可能會損壞封裝樹脂。

5.4 儲存條件

密封包裝（防潮袋）：儲存於 ≤30°C 且 ≤90% RH 的環境。元件自袋密封日期起一年內使用有效。

已開封包裝：儲存於 ≤30°C 且 ≤60% RH 的環境。元件應在一週（168 小時）內進行迴焊。若需在原始防潮袋外儲存更長時間，必須將其儲存在帶有乾燥劑的密封容器或氮氣乾燥櫃中。儲存超過一週的元件在焊接前應在大約 60°C 下烘烤至少 20 小時，以去除吸收的水分並防止在迴焊過程中發生爆米花現象。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 載帶與捲盤規格

該元件以 8mm 載帶供應，捲繞在直徑 7 英吋（178mm）的捲盤上，與標準自動貼裝設備相容。

• 每捲數量： 3000.
• 上蓋帶：空的元件凹槽用上蓋帶密封。
• 缺件：根據捲盤規格，允許每捲最多連續兩個缺件（"缺燈"）。
• 標準：包裝遵循 ANSI/EIA 481-1-A-1994 規範。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 紅外線遙控接收器：用於電視、音響系統和機上盒（與 940nm 紅外線 LED 配對）。
• 物體/接近偵測：用於印表機、影印機、自動販賣機和工業自動化，以感測紙張、物體或位置。
• 煙霧偵測器：用於基於光學腔室的設計。
• 編碼器：用於馬達控制中的速度或位置感測。
• 基本光隔離：用於低速、成本敏感的光隔離電路。

7.2 電路設計考量

驅動方式：光電晶體是一個電流輸出元件。為了確保一致的性能，特別是在多個元件並聯使用時，強烈建議為每個光電晶體串聯一個限流電阻（規格書中的電路模型 A）。

電路模型 A（推薦）：每個光電晶體都有自己的串聯電阻連接到電源電壓。這確保每個元件在定義的電流點工作，補償其電流-電壓（I-V）特性的微小變化，並防止單一元件搶佔過多電流。

電路模型 B（不建議用於並聯）：多個光電晶體直接並聯到單一共用電阻。由於個別元件的 I-V 曲線存在自然差異，一個元件可能比其他元件汲取更多電流，導致在偵測應用中亮度或靈敏度不均勻。

偏壓：該元件通常用於共射極配置，集極接上拉電阻。此負載電阻（R_L）的值會影響輸出電壓擺幅和響應速度（透過與元件電容形成的 RC 時間常數）。較小的 R_L提供更快的響應，但輸出電壓變化較小。

抗雜訊能力：黑色日光截止透鏡提供了出色的可見光抑制能力。然而，對於高雜訊環境（例如，有螢光燈或陽光），可能需要額外的電氣濾波（例如，與負載電阻並聯的電容器或硬體/軟體去抖動演算法）來抑制調變干擾。

8. 技術比較與差異化

與簡單的光電二極體相比，光電晶體提供了內部電流增益（電晶體的 β 值），在相同入射光水平下產生更高的輸出電流。這使得它更容易直接與邏輯電路或微控制器介面，而無需後續的放大級，簡化了設計並減少了元件數量。

然而，這種增益的代價是較慢的響應時間（光電晶體通常為數十到數百奈秒，而光電二極體為奈秒級）和可能更高的電容。對於非常高速的應用（例如，>1 MHz 調變），帶有外部跨阻放大器的光電二極體可能是更好的選擇。

LTR-S320-DB-L 在光電晶體類別中的關鍵差異化特點是其標準化的 EIA 封裝便於製造、特定的 940nm 光譜匹配、整合的日光濾光透鏡，以及其適用於無鉛迴焊製程的資格。

9. 常見問題（基於技術參數）

9.1 "日光截止"透鏡的目的是什麼？

黑色樹脂透鏡經過摻雜，對可見光不透明，但對 940nm 左右的紅外線波長透明。這顯著降低了由室內環境光、陽光或其他可見光源產生的光電流，最大限度地減少誤觸發並提高紅外線訊號偵測的可靠性。

9.2 我可以將此元件與 850nm 紅外線 LED 搭配使用嗎？

可以，但效率會降低。該元件的光譜響應曲線顯示在 850nm 處有顯著的靈敏度（在 750-1100nm 頻寬內），但並非在峰值（940nm）。與使用匹配的 940nm 發射器相比，輸出訊號會較弱。為了獲得最佳性能和最大範圍，建議與 940nm 光源配對。

9.3 如何計算合適的串聯電阻值？

電阻值取決於所需的工作電流和電源電壓（V_CC）。在特定的輻照度下，光電晶體的行為類似於電流源。使用歐姆定律：R = (V_CC- V_CE(sat)) / I_C。V_CE(sat)是飽和電壓（在中等電流下通常為幾百 mV）。I_C是所需的集極電流，可以從 I_SC參數和預期的光照水平估算。從典型的 I_SC值（0.5 mW/cm² 時為 1.8 µA）開始，並根據您應用的輻照度進行縮放。選擇 R 以將工作點設置在 IV 曲線的所需區域。

9.4 如果零件儲存在防潮袋外，為什麼需要烘烤？

塑膠封裝會從大氣中吸收水分。在高溫迴焊過程中，這些被困住的水分會迅速蒸發，產生高內部壓力。這可能導致封裝與晶片分層（"爆米花"現象）或內部裂紋，從而導致立即或潛在的故障。烘烤可以驅除這些吸收的水分，使元件安全地進行迴焊。

10. 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。能量大於矽能隙的入射光子在基極-集極接面區域產生電子-電洞對。這些載子被內部電場掃過，產生充當基極電流（I_B）的光電流。然後，這個光生基極電流被電晶體的電流增益（h_FE或 β）放大，產生更大的集極電流（I_C= β * I_B）。輸出從集極端子取出，射極接地。沒有實體的基極引腳是一個常見特徵，儘管有些光電晶體包含基極連接用於偏壓控制或速度優化。

11. 發展趨勢

光偵測領域持續發展。與 LTR-S320-DB-L 等元件相關的趨勢包括：

• 微型化：開發更小封裝尺寸（例如，晶片級封裝）的光電晶體，以實現更密集的電子設備。
• 增強整合：將光偵測器與放大、濾波和數位邏輯整合在單一晶片上，以創建具有數位輸出（I2C、SPI）的智慧感測器，減少外部元件數量並簡化系統設計。
• 提升速度：研究減少載子傳輸時間和電容的結構與材料，將光電晶體的頻寬推得更高，以用於數據通訊應用。
• 波長特異性：開發具有更窄且更精確調諧光譜響應的偵測器，以改善在多紅外線光源環境中的選擇性，或實現新的感測模式。
• 注重可靠性和測試：隨著光電元件滲透到汽車、醫療和工業安全應用中，越來越強調嚴格的資格認證標準、擴展的溫度範圍操作和故障模式分析。

雖然分立式光電晶體因其簡單性和成本效益在許多應用中仍然至關重要，但這些趨勢指向未來將出現更複雜和針對特定應用的解決方案。