LTR-C950-TB-T 紅外線光電晶體規格書 - 側視型封裝 - Vce 30V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-C950-TB-T 是一款專為感測應用設計的分立式紅外線光電晶體元件。它屬於光電元件大家族，適用於需要可靠偵測紅外線光的系統。此元件的主要功能是將入射的紅外線輻射轉換為其集極端子上對應的電氣電流。其側視、圓頂透鏡、黑色外殼的封裝設計，針對 PCB 安裝進行了優化，並有助於管理環境光干擾。

本元件設計與現代自動化組裝製程相容，包括貼裝設備和紅外線迴流焊接。其特點是對 940nm 波長的紅外線光具有響應性，此波長常用於各種遙控和感測系統，以避免可見光雜訊。

1.1 核心特色與優勢

• 符合 RoHS 規範的綠色產品：製造過程不含危害物質，符合環保標準。
• 光學設計：採用黑色側視圓頂透鏡，提供特定視野角，並有助於遮蔽感測器免受不必要的環境光影響。
• 製造相容性：以 8mm 載帶包裝於 7 英吋直徑的捲盤上，使其完全相容於高速自動貼片機。
• 製程相容性：額定可承受表面黏著技術組裝線使用的標準紅外線迴流焊接溫度曲線。
• 標準化封裝：符合 EIA 標準封裝外型，確保 PCB 焊墊設計的可預測性。

1.2 目標應用

此光電晶體適用於一系列需要非接觸式偵測或感測的電子應用。典型使用案例包括：

• 紅外線接收器：解碼消費性電子產品（電視、音響系統、機上盒）中遙控器的訊號。
• PCB 安裝式接近/物體感測器：偵測家電、自動化設備和安全裝置中物體的存在、不存在或位置。
• 基本光學開關：用於槽型遮斷器或反射式感測器。

2. 深入技術參數分析

以下章節詳細解析了元件在指定測試條件下的操作限制與性能特性。

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。不保證在或超過這些極限下操作。

• 功率消耗 (P_D)：100 mW。元件能以熱形式持續消耗的最大功率。
• 集極-射極電壓 (V_CEO)：30 V。可施加於集極與射極端子之間的最大電壓。
• 射極-集極電壓 (V_ECO)：5 V。射極與集極之間的最大反向電壓。
• 操作溫度範圍 (T_A)：-40°C 至 +85°C。正常功能運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍 (T_stg)：-55°C 至 +100°C。元件未通電時的安全溫度範圍。
• 紅外線焊接條件：在迴流焊過程中，可承受最高 260°C 的峰值溫度，最長 10 秒。

2.2 電氣與光學特性

這些參數是在環境溫度 (T_A) 25°C 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)。在無光照 (E_R= 0 mW/cm²) 下，流過指定小反向電流 (I_e= 100µA) 時的電壓。
• 射極-集極崩潰電壓 (V_(BR)ECO)：5 V (最小值)。類似 V_(BR)CEO，但適用於反向偏壓條件。
• 集極-射極飽和電壓 (V_CE(SAT))：0.4 V (最大值)。在輻照度 0.5 mW/cm² 且集極電流 (I_C) 為 100µA 的條件下，當電晶體完全導通時，集極與射極之間的電壓。數值越低表示性能越好。
• 上升時間 (T_r) 與下降時間 (T_f)：15 µs (典型值)。輸出電流響應脈衝光輸入，從其最大值的 10% 上升到 90%（上升時間）或從 90% 下降到 10%（下降時間）所需的時間。量測條件為 V_CE=5V，I_C=1mA，且 R_L=1kΩ。
• 集極暗電流 (I_CEO)：100 nA (最大值)。當無光照射到元件上時 (V_CE= 20V)，從集極流向射極的小量漏電流。數值越低對靈敏度越好。
• 導通狀態集極電流 (I_C(ON))：1.5 至 9.2 mA。當元件被標準化紅外線光源照射時 (E_e=0.5 mW/cm²，λ=940nm，V_CE=5V) 所產生的集極電流。這是關鍵的靈敏度參數。

3. 分級系統說明

元件根據其導通狀態集極電流 (I_C(ON)) 被分類到不同的性能等級中。這讓設計師能根據其特定電路需求，選擇具有一致靈敏度的元件。

• 等級 A： I_C(ON)範圍從 1.5 mA (最小值) 到 2.9 mA (最大值)。
• 等級 B： I_C(ON)範圍從 2.9 mA (最小值) 到 5.5 mA (最大值)。
• 等級 C： I_C(ON)範圍從 5.5 mA (最小值) 到 9.2 mA (最大值)。

每個等級的上下限容差為 ±15%。設計師在計算電路增益與閾值電平時必須考慮此變異。

4. 性能曲線分析

規格書提供了數個特性曲線圖，說明元件在不同條件下的行為。

4.1 光譜靈敏度

圖表 (圖1) 顯示了相對光譜靈敏度與波長的關係。LTR-C950-TB-T 在 940nm 附近表現出峰值靈敏度，這與常見的紅外線發射器相匹配。對於波長短於 800nm 和長於 1100nm 的光線，靈敏度急遽下降，提供了對大部分可見光譜的固有濾波效果。

4.2 集極暗電流 vs. 溫度

曲線 (圖3) 繪製了集極暗電流 (I_CEO) 與環境溫度 (T_A) 的關係。I_CEO隨溫度呈指數增長。對於高溫應用而言，這是關鍵考量，因為增加的暗電流會提高雜訊基底，並可能影響感測器的訊噪比。

4.3 動態響應 vs. 負載

圖表 (圖4) 顯示了上升時間 (T_r) 和下降時間 (T_f) 如何隨負載電阻 (R_L) 變化。兩者時間均隨負載電阻增加而增加。對於需要快速切換的應用，較小的負載電阻是有益的，儘管這會減少輸出電壓擺幅。

4.4 相對集極電流 vs. 輻照度

此圖表 (圖5) 展示了輸出電流與入射光功率（輻照度）之間的關係。響應在相當大的範圍內大致呈線性，這對於類比感測應用是理想的。它確認了元件作為比例式光電轉換器的功能。

4.5 輻射圖形

極座標圖 (圖6) 說明了側視封裝的角度靈敏度。相對輻射強度（或靈敏度）相對於入射光角度繪製。此圖對於機械設計至關重要，顯示了感測器能可靠偵測紅外線光源的有效視野角範圍。

5. 機械與封裝資訊

5.1 外型尺寸

本元件採用標準側視光電晶體封裝。關鍵尺寸包括本體尺寸、引腳間距和透鏡位置。所有尺寸均以毫米為單位提供，典型公差為 ±0.1mm，除非另有說明。引腳配置標識了集極和射極端子。

5.2 建議焊墊設計

提供了用於 PCB 設計的焊墊圖形。建議的安裝焊墊尺寸為 1.0mm x 1.8mm，兩者間距為 1.8mm。遵循此圖形可確保迴流焊期間可靠的焊點以及正確的機械對齊。

6. 焊接與組裝指南

6.1 迴流焊溫度曲線

包含了針對無鉛製程的建議迴流焊溫度曲線。關鍵參數如下：

• 預熱：150-200°C，最長 120 秒。
• 峰值溫度：最高 260°C。
• 液相線以上時間：元件暴露在 260°C 以上溫度的時間不應超過 10 秒。

此溫度曲線基於 JEDEC 標準。工程師必須針對其特定的 PCB 設計、錫膏和迴焊爐來調整此曲線。

6.2 手工焊接

若需手工焊接，請使用溫度不超過 300°C 的烙鐵，並將每個焊點的接觸時間限制在 3 秒內。避免對元件引腳施加應力。

6.3 清潔

若需進行焊後清潔，僅使用酒精類溶劑，如異丙醇。避免使用可能損壞塑膠封裝或透鏡的強效或未知化學清潔劑。

7. 包裝與處理

7.1 載帶與捲盤規格

元件包裝於 8mm 寬的凸起載帶中，並捲繞在直徑 7 英吋 (178mm) 的捲盤上。每捲包含 2000 個元件。包裝符合 ANSI/EIA 481-1-A-1994 標準。注意事項指明，根據載帶封裝，最多可能有兩個連續的元件袋是空的，並且載帶內元件的方向已標記。

7.2 儲存條件

密封包裝：儲存於 ≤30°C 且 ≤90% 相對濕度的環境。在密封防潮袋（含乾燥劑）中的保存期限為一年。
已開封包裝：對於從密封袋中取出的元件，儲存環境不得超過 30°C / 60% 相對濕度。強烈建議在開封後一週內完成紅外線迴流焊接。若需在原始包裝外長時間儲存，請將其存放於帶有乾燥劑的密封容器或氮氣乾燥櫃中。開封儲存超過一週的元件，在焊接前應以約 60°C 烘烤至少 20 小時，以去除吸收的水分，防止迴流焊時發生爆米花現象。

8. 應用說明與設計考量

8.1 驅動電路設計

光電晶體是一種電流輸出裝置。在典型電路中，它以共射極配置連接。一個負載電阻 (R_L) 置於集極與電源電壓 (V_CC) 之間。射極接地。入射光導致集極電流 (I_C) 流動，在 R_L上產生電壓降。此電壓 (V_OUT= V_CC- I_C*R_L) 即為訊號輸出。

關鍵設計選擇：

• 負載電阻 (R_L)：較高的 R_L對於給定的光變化能提供較大的輸出電壓擺幅，但會增加響應時間（參見圖4）。較低的 R_L提供更快的響應，但訊號較小。
• 偏壓：此元件無需外部基極偏壓電流；它完全由光控制。
• 多個元件：若應用中需要將多個光電晶體並聯連接，不建議將它們直接連接在一起。其 I_C(ON)的變異（即使在同一等級內）將導致電流分配不均。應與每個元件串聯一個限流電阻，以確保行為一致。

8.2 改善訊噪比 (SNR)

• 調變：對於遙控應用，紅外線光源以特定的載波頻率（例如 38kHz）脈衝發射。接收電路包含一個調諧到此頻率的帶通濾波器，以抑制恆定的環境光和雜訊。
• 光學濾波：黑色封裝和自然的光譜靈敏度（峰值在 940nm）提供了對可見光的一些濾波效果。對於極度嘈雜的環境，可以在感測器上方使用額外的外部紅外線通過/可見光阻擋濾光片。
• 電氣濾波：在光電晶體之後接一個包含高通或帶通濾波器的放大級，可以進一步改善交流耦合訊號的訊噪比。

8.3 佈局考量

• 將感測器遠離發熱元件，以最小化溫度引起的暗電流漂移。
• 確保使用建議的焊墊幾何形狀，以防止迴流焊期間發生墓碑效應或錯位。
• 設計機械外殼時，請考慮輻射圖形（圖6），以確保紅外線光源落在感測器的靈敏感測視角內。

9. 工作原理

光電晶體本質上是一種雙極性接面電晶體，其基極電流由光產生，而非電氣連接。基極-集極接面充當光二極體。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。此光生電流隨後被電晶體的電流增益 (β 或 h_FE) 放大，產生與入射光強度成正比、大得多的集極電流。側視封裝將靈敏的半導體晶片定位成可以偵測平行於 PCB 表面到達的光線。

10. 實務設計範例

情境：自動販賣機中的物體偵測。需要一個遮斷光束感測器來偵測產品何時通過滑道。

1. 元件選擇：選擇 LTR-C950-TB-T (等級 B)，因其側視封裝適合安裝在 PCB 邊緣，面向滑道對面。選擇匹配的 940nm 紅外線發射器作為光源。
2. 電路設計：光電晶體配置在共射極電路中，V_CC= 5V。選擇負載電阻 R_L= 2.2kΩ，作為良好電壓擺幅與此應用可接受速度之間的折衷。輸出饋送到一個比較器，其閾值設定為區分光束存在（高輸出）和光束阻斷（低輸出）。
3. 機械整合：紅外線發射器和光電晶體安裝在產品滑道的兩側，根據其輻射/靈敏度圖形對齊。可以添加遮光板以限制雜散光。
4. 考量事項：監控機器內部環境溫度，確保其保持在操作範圍內。量測初始輸出電壓，並設定比較器閾值時留有餘裕，以考慮元件容差（等級 ±15%）以及透鏡隨時間可能積累的灰塵。