LTR-536AD 光電晶體規格書 - 深綠色封裝 - 30V 反向電壓 - 150mW 功率損耗 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-536AD 是一款專為紅外線偵測應用設計的高性能矽質 NPN 光電晶體。其核心功能是將入射的紅外線輻射轉換為電流。此元件的一個定義性特徵是其特殊的深綠色塑膠環氧樹脂封裝。這種材料配方旨在衰減或截止可見光波長，顯著增強其在紅外線光譜（通常約為 940nm）內的靈敏度和訊噪比。這使其成為在需要區隔環境可見光的應用中的理想選擇。

核心優勢：

• 高光敏度：在給定的紅外線輻照度下，能提供強勁的電氣輸出訊號。
• 紅外線優化：深綠色封裝充當可見光濾波器，使元件特別適合純紅外線感測。
• 低接面電容：此參數對高頻操作至關重要，能實現更快的響應時間。
• 快速開關特性：具備快速的上升與下降時間，適用於脈衝式紅外線系統和數據通訊。
• 高截止頻率：支援在更高頻率的電路中運作。

目標市場：此光電晶體針對從事紅外線系統設計的設計師和工程師。常見應用包括接近感測器、物體偵測、非接觸式開關、紅外線數據傳輸鏈路（如遙控器）、工業自動化，以及任何需要可靠偵測紅外線訊號同時抑制可見光源干擾的系統。

2. 深入技術參數分析

除非另有說明，所有參數均在環境溫度 (T_A) 25°C 下指定。理解這些參數對於正確的電路設計和確保元件在其限制範圍內可靠運作至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些是應力極限，超過此極限可能對元件造成永久性損壞。操作應始終維持在這些限制之內。

• 功率損耗 (P_D)：150 mW。這是元件能以熱量形式散發的最大允許功率。
• 反向電壓 (V_R)：30 V。可施加於集極-射極接面的最大反向偏壓電壓。
• 操作溫度範圍 (T_oper)：-40°C 至 +85°C。元件正常運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍 (T_stg)：-55°C 至 +100°C。非運作狀態下的儲存溫度範圍。
• 引腳焊接溫度：260°C 持續 5 秒，測量點距離封裝本體 1.6mm。這定義了迴流焊接曲線的限制。

2.2 電氣與光學特性

這些參數定義了元件在指定測試條件下的性能。

• 反向崩潰電壓 (V_(BR)R)：30 V (最小值)。反向電流 (I_R) 急遽增加的電壓（在 100µA 下測試）。這與絕對最大額定值相關。
• 反向暗電流 (I_D(R))：30 nA (最大值)。當元件處於反向偏壓 (V_R=10V) 且完全黑暗 (E_e=0) 時流動的漏電流。數值越低表示在低光條件下性能越好。
• 開路電壓 (V_OC)：350 mV (典型值)。在光照下 (λ=940nm, E_e=0.5mW/cm²) 且無外部負載（開路）時，元件兩端產生的電壓。
• 短路電流 (I_S)：1.7 µA (最小值), 2 µA (典型值)。當元件被照射 (λ=940nm, E_e=0.1mW/cm²) 且輸出短路 (V_R=5V) 時流動的電流。這是靈敏度的關鍵衡量指標。
• 上升時間 (T_r) 與下降時間 (T_f)：50 nsec (典型值)。輸出電流在響應光照的階躍變化時，從最終值的 10% 上升到 90%（上升）或從 90% 下降到 10%（下降）所需的時間。對高速應用至關重要。
• 總電容 (C_T)：25 pF (典型值)。在 V_R=3V、f=1MHz 且黑暗條件下測得的接面電容。較低的電容能實現更快的開關速度。
• 最大靈敏度波長 (λ_SMAX)：900 nm (典型值)。光電晶體最敏感的紅外線峰值波長。其針對約 940nm 的發射器進行了優化。

3. 性能曲線分析

規格書提供了多個圖表，說明元件在不同條件下的行為。對於超越典型/最小/最大數值的詳細設計工作，這些圖表極具價值。

3.1 暗電流 vs. 反向電壓 (圖1)

此曲線顯示反向暗電流 (I_D) 如何隨施加的反向電壓 (V_R) 增加而增加。通常在較低電壓下顯示非常低且相對恆定的電流，隨著電壓升高逐漸增加，最終在崩潰電壓處急遽上升。設計師必須確保操作 V_R遠低於此曲線的拐點，以最小化漏電流產生的雜訊。

3.2 電容 vs. 反向電壓 (圖2)

此圖描繪了接面電容 (C_T) 與反向偏壓之間的關係。電容隨反向電壓增加而減少。對於高速電路設計，在較高的反向電壓（在限制範圍內）下操作可以降低 C_T並改善頻寬，但這必須與增加的暗電流（來自圖1）取得平衡。

3.3 光電流與暗電流 vs. 環境溫度 (圖3 & 圖4)

圖3 說明光電流 (I_P) 如何隨環境溫度變化。光電晶體靈敏度通常隨溫度升高而降低。圖4 顯示暗電流 (I_D) 隨溫度升高呈指數增長。這兩條曲線對於設計必須在寬廣溫度範圍（例如 -40°C 至 +85°C）內可靠運作的系統至關重要。在高溫下，增加的暗電流可能會淹沒微弱的光學訊號，降低訊噪比。

3.4 相對光譜靈敏度 (圖5)

這可能是應用匹配最重要的曲線。它繪製了光電晶體在一系列波長（通常約 800nm 至 1100nm）上的歸一化響應度。LTR-536AD 在 900nm 附近顯示峰值靈敏度，並在可見光譜 (<800nm) 中有顯著衰減，這是其深綠色封裝的直接結果。必須將此曲線與目標紅外線 LED 或光源的發射光譜交叉參考，以確保最佳耦合。

3.5 光電流 vs. 輻照度 (圖6)

此圖顯示入射紅外線光功率（輻照度 E_e) 與產生的光電流 (I_P) 之間的線性關係。此線的斜率代表元件的響應度。它確認了元件在測試的輻照度範圍內於線性區域運作，這對於類比感測應用是理想的。

3.6 總功率損耗 vs. 環境溫度 (圖8)

此降額曲線顯示最大允許功率損耗 (P_D) 作為環境溫度的函數。150mW 的絕對最大額定值僅適用於某個溫度以下（可能是 25°C）。隨著環境溫度升高，元件的散熱能力下降，因此必須線性降低最大允許功率以防止過熱。這對於可靠性計算至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸

LTR-536AD 採用標準 3mm (T-1) 穿孔式封裝。規格書中的關鍵尺寸註記包括：

• 所有尺寸單位為毫米（括號內為英吋）。
• 除非另有規定，適用 ±0.25mm (.010") 的標準公差。
• 法蘭下方樹脂的最大突出量為 1.5mm (.059")。
• 引腳間距在引腳從封裝本體伸出的點測量。

極性識別：元件在透鏡側有一個平面，通常表示集極引腳。較長的引腳通常是射極。然而，設計師在安裝前應始終使用三用電表的二極體測試模式驗證極性。

5. 焊接與組裝指南

為確保組裝期間元件的完整性，必須遵守以下條件：

• 迴流焊接：引腳可承受 260°C 的溫度，最多 5 秒。此測量點距離封裝本體 1.6mm (0.063")。必須調整標準波峰焊或迴流焊曲線以符合此限制，以防止損壞內部半導體晶片或環氧樹脂封裝。
• 手工焊接：如果需要手工焊接，請使用溫控烙鐵，並將每個引腳的接觸時間縮短至 3 秒以內。如果可能，在焊接點與封裝本體之間的引腳上使用散熱夾。
• 清潔：僅使用與深綠色環氧樹脂材料相容的核准清潔溶劑。除非驗證其相容性及功率/時間設定，否則避免使用超音波清洗，因為它可能損壞封裝或內部接合。
• 儲存條件：在指定的儲存溫度範圍 -55°C 至 +100°C 內，儲存於乾燥、防靜電的環境中。如果預期長期儲存，應使用原裝防潮袋。

6. 應用建議與設計考量

6.1 典型應用電路

LTR-536AD 可用於兩種主要配置：

1. 開關模式 (數位輸出)：光電晶體與上拉電阻串聯在電源電壓 (V_CC) 和地之間。輸出從集極節點取得。當紅外線照射到感測器時，它導通，將輸出電壓拉低。當處於黑暗時，它關斷，上拉電阻將輸出拉高。上拉電阻的值決定了開關速度和電流消耗（較小的電阻提供更快的開關但更高的功耗）。
2. 線性模式 (類比輸出)：配置類似，但光電晶體使用固定的基極電流（通常為零，僅依賴光電流）和集極電阻偏壓在其作用區。集極的電壓隨入射紅外線強度線性變化。此模式用於類比感測，如距離測量或光強度偵測。

6.2 關鍵設計考量

• 光源匹配：始終將 LTR-536AD 與峰值波長接近 940nm 且與光電晶體的光譜靈敏度峰值 (900nm) 對齊的紅外線發射器 (LED) 配對，以實現最高效率。
• 環境光抑制：雖然深綠色封裝有所幫助，但在明亮環境中操作時，可能需要額外的光學濾波（專用紅外線通過濾波器）或調變/解調變技術（脈衝紅外線源並同步偵測訊號）來抑制環境光雜訊。
• 偏壓設定以提升速度：為實現可能的最快響應時間 (50ns 典型值)，請以約 10V 的反向電壓 (V_CE) 操作元件，並使用小的負載電阻（例如，測試條件中的 1kΩ）。這最小化了由接面電容 (C_T) 和負載電阻 (R_L) 形成的 RC 時間常數。
• 溫度補償：對於在寬廣溫度範圍內的精確應用，請考慮使用電路技術來補償暗電流和靈敏度的變化。這可能涉及在黑暗參考通道中使用匹配的光電晶體，或在訊號調理電路中實現與溫度相關的增益調整。

7. 技術比較與差異化

LTR-536AD 透過其專用封裝在光電晶體市場中脫穎而出。與標準透明或水清環氧樹脂光電晶體相比，其主要優勢在於內建的可見光截止功能。這在許多應用中消除了對外部紅外線濾波器的需求，減少了元件數量、成本和組裝複雜性。其結合了相對較快的開關速度 (50ns)、低電容 (25pF) 和良好的靈敏度 (在 0.1mW/cm² 下典型值 2µA)，使其成為類比感測和中速數位紅外線通訊鏈路的平衡選擇。

8. 常見問題 (基於技術參數)

8.1 我可以搭配紅色LED (650nm) 使用嗎？

答案：不，不建議使用。相對光譜靈敏度曲線 (圖5) 顯示在 650nm（可見紅光）處的響應度非常低。深綠色封裝會主動阻擋此波長。若要偵測紅光，應選擇具有透明封裝且峰值靈敏度在可見光範圍的光電晶體。

8.2 為何在溫暖環境中我的輸出訊號有雜訊？

答案：請參考圖4 (暗電流 vs. 溫度)。暗電流隨溫度呈指數增長。如果您的電路設計用於偵測微弱的紅外線訊號，則在高溫下熱產生的暗電流可能變得顯著，表現為雜訊或直流偏移。解決方案包括冷卻感測器、使用帶有同步偵測的調變光源，或選擇能減去暗電流的電路拓撲。

8.3 如何選擇負載電阻 (R_L) 的值？

答案：這涉及速度、靈敏度和功率之間的權衡。
為了速度 (數位開關)：選擇較小的 R_L（例如，1kΩ 至 4.7kΩ）。這提供較小的 RC 時間常數 (C_T* R_L) 以獲得快速的邊緣，但會消耗更多電流。
為了高電壓擺幅 (類比感測)：選擇較大的 R_L（例如，10kΩ 至 100kΩ）。這在給定的光變化下提供更大的輸出電壓變化，但會減慢響應時間。
始終確保當光電晶體完全導通時，R_L上的電壓降不會導致集極-射極電壓低於飽和水平，並且光電晶體中的功率損耗保持在您操作溫度的降額限制以下。

9. 實際使用案例

應用：工業計數器中的非接觸式物體偵測。
實作方式：一個紅外線 LED (940nm) 和 LTR-536AD 安裝在輸送帶的兩側（對射式配置）。LED 使用驅動電路以 10kHz 脈衝驅動。光電晶體以開關模式連接，並使用 4.7kΩ 上拉電阻至 5V。其輸出饋入微控制器的輸入捕獲引腳。在正常情況下（無物體），脈衝紅外線光到達感測器，導致輸出以 10kHz 脈衝。微控制器韌體偵測到此頻率。當物體通過光束時，它阻擋光線，光電晶體的輸出變為並保持高電位（或低電位，取決於邏輯）。微控制器偵測到 10kHz 訊號的缺失並遞增計數器。LTR-536AD 的深綠色封裝可防止工廠中的環境螢光燈或白熾燈光誤觸發計數器。

10. 工作原理簡介

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供應。在 LTR-536AD (NPN 型) 中，能量大於矽能隙（對應波長短於約 1100nm）的入射光子在基極-集極接面區域被吸收。這種吸收產生電子-電洞對。反向偏壓的集極-基極接面中的電場掃過這些載子，產生光電流。此光電流的作用完全像注入電晶體的基極電流。由於電晶體的電流增益 (beta, β)，集極電流遠大於初始光電流 (I_C= β * I_photo)。這種內部放大是光電晶體相較於光二極體具有高靈敏度的原因。深綠色環氧樹脂吸收大多數可見光光子，主要讓紅外線光子到達矽晶片，從而使元件選擇性地對紅外線敏感。

11. 技術趨勢

光電領域持續發展。雖然像 LTR-536AD 這樣的離散穿孔式光電晶體對許多應用仍然至關重要，但趨勢包括：
整合化：越來越多地將光偵測器與類比前端電路（放大器、濾波器）和數位邏輯（比較器、邏輯輸出）整合到單晶片解決方案或模組中。
表面黏著技術 (SMT)：強烈轉向更小的 SMT 封裝以實現自動化組裝並減少電路板空間，儘管通常會因有效面積較小而犧牲靈敏度。
專業化：開發具有更特定光譜響應、更快速光學數據通訊速度以及增強對惡劣環境（更高溫度、濕度）耐受性的元件。
光電晶體的核心原理保持不變，但其實現方式正變得更加針對特定應用和整合化。