LTR-209 光電晶體規格書 - 透明封裝 - Vce 30V - 功率 100mW - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-209 是一款專為紅外線偵測應用設計的矽質 NPN 光電晶體。它採用透明塑膠封裝，能對入射光（特別是紅外線光譜）保持高靈敏度。此元件以其寬廣的工作範圍、可靠性及成本效益著稱，適用於各種感測與偵測系統。

1.1 核心優勢

• 寬廣的集極電流範圍：此元件支援廣泛的集極電流等級，為電路設計與靈敏度調整提供了靈活性。
• 高靈敏度透鏡：整合式透鏡增強了元件對入射紅外線輻射的靈敏度，改善了訊噪比。
• 低成本塑膠封裝：採用經濟實惠的塑膠封裝，降低了整體系統成本。
• 透明封裝：透明外殼能最大化到達有效半導體區域的光量，從而優化性能。

2. 深入技術參數分析

以下章節針對 LTR-209 光電晶體所定義的關鍵電氣與光學參數，提供詳細且客觀的詮釋。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的極限。在此條件下或超出此條件運作，性能無法保證。

• 功率損耗 (P_D)：100 mW。這是元件在環境溫度 (T_A) 為 25°C 時，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（僅光電流）的情況下，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。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。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。
• 引腳焊接溫度：距離封裝本體 1.6mm 處，260°C 持續 5 秒。這定義了手焊或波峰焊製程可接受的熱曲線。

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 I_C= 1mA 且零輻照度 (E_e= 0 mW/cm²) 下量測。此值確認了絕對最大額定值。
• 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，量測條件為 I_C= 100µA 且 E_e= 1 mW/cm²。較低的 V_CE(SAT)有助於降低功率損耗。
• 上升時間 (T_r) 與下降時間 (T_f)：分別為 10 µs (典型值) 和 15 µs (典型值)。這些參數定義了光電晶體的切換速度。量測條件為 V_CC=5V，I_C=1mA，且 R_L=1kΩ。這種不對稱性在光電晶體中很常見。
• 集極暗電流 (I_CEO)：100 nA (最大值)。這是當元件處於完全黑暗 (E_e= 0 mW/cm²) 且 V_CE= 10V 時，從集極流向射極的漏電流。對於高靈敏度應用，低暗電流對於最小化雜訊至關重要。

3. 分級系統說明

LTR-209 針對其關鍵參數——導通狀態集極電流 (I_C(ON))——採用了分級系統。分級是一種品質控制流程，元件根據量測到的性能被分類到特定的組別或級別中。這讓設計師可以選擇保證性能範圍符合其應用的元件。

3.1 導通狀態集極電流分級

I_C(ON)是在標準化條件下量測的：V_CE= 5V，E_e= 1 mW/cm²，且紅外線光源波長 (λ) 為 940nm。元件根據其量測到的電流被分為以下級別：

• BIN C：0.8 mA (最小值) 至 2.4 mA (最大值)
• BIN D：1.6 mA (最小值) 至 4.8 mA (最大值)
• BIN E：3.2 mA (最小值) 至 9.6 mA (最大值)
• BIN F：6.4 mA (最小值) - 此規格書摘錄中未指定上限。

設計影響：為 BIN C 元件（較低電流）設計的電路，若未經重新校準就使用 BIN F 元件（較高電流），可能無法正常運作，反之亦然。指定分級代碼對於確保系統性能的一致性至關重要。

4. 性能曲線分析

規格書提供了數個特性曲線，用以說明關鍵參數如何隨操作條件變化。這些對於理解單點規格之外的實際行為至關重要。

4.1 集極暗電流 vs. 環境溫度 (圖 1)

此圖顯示 I_CEO(暗電流) 隨著環境溫度 (T_A) 升高而呈指數增長。例如，在 100°C 時，暗電流可能比在 25°C 時高出數個數量級。這是由於電荷載子熱生成增加所導致的基本半導體行為。設計考量：在高溫應用中，增加的暗電流可能成為顯著的雜訊來源，可能掩蓋微弱的光學訊號。可能需要進行熱管理或訊號調理。

4.2 集極功率損耗 vs. 環境溫度 (圖 2)

此降額曲線顯示了最大允許功率損耗 (P_C) 與 T_A的函數關係。100 mW 的絕對最大額定值僅在 25°C 或以下有效。隨著 T_A升高，元件的散熱能力下降，因此最大允許功率必須線性降低。在 85°C（最高工作溫度）時，允許的功率損耗顯著降低。設計考量：電路設計必須確保實際損耗的功率 (V_CE* I_C) 不超過在預期最高工作溫度下的降額值。

4.3 上升/下降時間 vs. 負載電阻 (圖 3)

此曲線展示了切換速度與訊號振幅之間的權衡。上升時間 (T_r) 和下降時間 (T_f) 都隨著負載電阻 (R_L) 增大而增加。較大的 R_L能提供較大的輸出電壓擺幅 (ΔV = I_C* R_L)，但會減慢電路的響應時間，因為電晶體的接面電容需要更長的時間透過較大的電阻進行充/放電。設計考量：R_L的值必須根據應用是優先考慮高速響應（較低的 R_L）還是高輸出電壓增益（較高的 R_L）來選擇。

4.4 相對集極電流 vs. 輻照度 (圖 4)

此圖繪製了歸一化集極電流與入射光功率密度（輻照度，E_e）的關係。在所繪製的範圍內（0 至約 5 mW/cm²）顯示出線性關係。這種線性是用於類比感測應用的光電晶體的一個關鍵特性，因為輸出電流與輸入光強度成正比。此曲線是在 V_CE= 5V 的條件下繪製的。

4.5 靈敏度圖 (圖 5)

雖然確切的座標軸被縮寫，但靈敏度圖通常說明了偵測器的光譜響應。像 LTR-209 這樣的矽光電晶體對近紅外區域的光最為敏感，峰值約在 800-950 nm。這使得它們非常適合與常見的紅外線發射器（如 λ=940nm 的 LED，如分級測試條件中所述）一起使用，並可用於濾除可見光干擾。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

此元件採用標準的穿孔式塑膠封裝。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）。
• 除非另有說明，否則適用 ±0.25mm (±.010") 的標準公差。
• 法蘭下方樹脂的最大突出量為 1.5mm (.059")。
• 引腳間距是在引腳離開封裝本體的點上量測，這對於 PCB 佔位面積設計至關重要。

極性識別：較長的引腳通常是集極，較短的引腳是射極。封裝邊緣的平面側也可能指示射極側。請務必參照封裝圖進行驗證。

6. 焊接與組裝指南

提供的主要指引是針對手焊或波峰焊：引腳可承受 260°C 的溫度，最長持續時間為 5 秒，量測點距離封裝本體 1.6mm (.063")。這可防止對內部半導體晶粒和塑膠封裝造成熱損壞。

對於迴流焊：雖然此規格書中未明確說明，但類似的塑膠封裝通常需要符合 JEDEC 標準（例如 J-STD-020）的溫度曲線，峰值溫度通常不超過 260°C。具體的濕度敏感等級 (MSL) 和烘烤要求未在此提供，應向製造商確認。

儲存條件：元件應在 -55°C 至 +100°C 的指定溫度範圍內，儲存於乾燥、無腐蝕性的環境中。對於長期儲存，建議採取防靜電措施。

7. 應用建議

7.1 典型應用場景

• 物體偵測與接近感測：與紅外線 LED 搭配使用，偵測物體的存在、不存在或接近程度（例如，在自動販賣機、印表機、工業自動化中）。
• 槽型感測器與編碼器：偵測紅外線光束的中斷以計算物體數量或測量轉速。
• 遙控接收器：雖然速度比專用光電二極體慢，但它們可用於簡單、低成本的紅外線接收電路。
• 光柵與安全系統：建立用於入侵偵測的不可見光束。

7.2 設計考量與電路配置

最常見的電路配置是共射極模式。光電晶體的集極透過一個負載電阻 (R_CC) 連接到正電源 (V_L)，射極則接地。入射光會導致光電流 (I_C) 流動，從而在集極節點產生輸出電壓 (V_OUT)：V_OUT= V_CC- (I_C* R_L)。黑暗時，V_OUT為高電位 (~V_CC)。受光照時，V_OUT drops.

關鍵設計步驟：

1. 選擇 R_L:基於所需的輸出擺幅 (V_CC/I_C(ON)) 和期望的速度（參見圖 3）。常見值介於 1kΩ 至 10kΩ 之間。
2. 考慮頻寬：R_L值與元件的接面電容結合，形成一個低通濾波器。對於脈衝操作，請確保電路的 RC 時間常數遠短於脈衝寬度。
3. 管理環境光：使用光學濾波（在感測器上加裝深色或紅外線通過濾鏡）來阻擋不需要的可見光並減少雜訊。
4. 溫度補償：對於精密的類比感測，請考慮暗電流的溫度依賴性（圖 1）。技術包括在差分配置中使用匹配的暗參考感測器，或實施軟體補償。

8. 技術比較與差異化

與其他光學偵測器相比：

• 與光電二極體相比：光電晶體提供固有的電流增益 (β 或 h_FE)，在相同光照水平下能產生更高的輸出電流。這簡化了電路設計，因為需要後續放大的程度較低。然而，光電晶體通常速度較慢（上升/下降時間較長），且線性範圍比光電二極體更有限。
• 與光達靈頓電晶體相比：光達靈頓電晶體提供比標準光電晶體更高的增益，但響應時間明顯更慢，且飽和電壓 (V_CE(SAT)) 更高。LTR-209 在增益、速度和電壓降之間提供了良好的平衡。
• LTR-209 的差異化特點：其透明封裝和整合式透鏡是關鍵的差異化因素。許多競爭對手的光電晶體使用會衰減光線的黑色環氧樹脂封裝。LTR-209 的透明封裝能最大化靈敏度，而透鏡有助於將入射光聚焦到有效區域，從而改善方向性和訊號強度。

9. 常見問題 (基於技術參數)

9.1 "BIN" 代碼是什麼意思？為何它很重要？

BIN 代碼 (C, D, E, F) 根據元件量測到的導通狀態集極電流 (I_C(ON)) 對其進行分類。它之所以至關重要，是因為它保證了特定的性能範圍。使用錯誤級別的元件可能導致您的電路靈敏度不足或過度靈敏，從而引發故障。訂購時請務必指定所需的分級。

9.2 我可以將此感測器與可見光源一起使用嗎？

雖然矽材料確實會對可見光產生反應，但其峰值靈敏度在近紅外區域（參見隱含的圖 5）。為了獲得最佳性能並避免環境可見光的干擾，強烈建議將其與紅外線發射器（通常為 850nm、880nm 或 940nm）配對使用，並在偵測器上使用紅外線通過濾鏡。

9.3 如何將輸出轉換為數位訊號？

最簡單的方法是將輸出（集極節點）連接到施密特觸發反相器或帶遲滯的比較器的輸入端。這會將類比電壓擺幅轉換為乾淨的數位訊號，不受雜訊影響。比較器的閾值應設定在亮與暗輸出電壓位準之間。

9.4 為何在明亮、高溫環境下我的輸出會不穩定？

這很可能是由於高暗電流（根據圖 1 隨溫度升高而增加）和對環境光的響應共同作用所致。解決方案包括：1) 添加物理遮罩或管狀物以限制視野，2) 使用調變的紅外線光源和同步偵測，3) 實施溫度穩定的偏壓或補償電路。

10. 實務設計案例分析

情境：為印表機設計紙張偵測感測器。

實施：將一個紅外線 LED 和 LTR-209 放置在紙張路徑的兩側，對齊以形成光束。當紙張存在時，它會阻斷光束。光電晶體配置為共射極模式，R_L= 4.7kΩ，V_CC= 5V。

元件選擇與計算：選擇 BIN D 的元件 (I_C(ON)= 1.6-4.8mA)。無紙張時（光束完整），假設 I_C= 3mA (典型值)。V_OUT= 5V - (3mA * 4.7kΩ) = 5V - 14.1V = -9.1V。這是不可能的，意味著電晶體處於飽和狀態。飽和時，V_OUT≈ V_CE(SAT)≈ 0.4V（低電位訊號）。當紙張阻斷光束時，I_C≈ I_CEO(非常小，約 nA 級)，因此 V_OUT≈ 5V（高電位訊號）。微控制器的 GPIO 引腳可以直接讀取此高/低電位訊號來偵測紙張存在與否。建議在感測器的電源引腳之間添加一個去耦電容（例如 100nF）以濾除雜訊。

11. 工作原理

光電晶體是一種雙極性接面電晶體 (BJT)，其基極區域暴露在光線下。具有足夠能量的入射光子在基極-集極接面產生電子-電洞對。這些光生載子被內部電場掃出，有效地充當基極電流。然後，這個光學基極電流被電晶體的電流增益 (h_FE) 放大，從而產生更大的集極電流。此集極電流的大小與入射光的強度成正比，提供了感測功能。LTR-209 的透明封裝和透鏡能最大化到達敏感半導體接面的光子數量。

12. 技術趨勢

像 LTR-209 這樣的光電晶體代表了一種成熟且具成本效益的技術。光電學的當前趨勢包括：

• 整合化：朝向整合化解決方案發展，將光偵測器、放大器和數位邏輯（例如，具有內建邏輯輸出的光遮斷器）整合在單一晶片上，減少外部元件數量並提高抗雜訊能力。
• 表面黏著元件 (SMD)：雖然穿孔式封裝在原型製作和某些應用中仍然流行，但產業正強烈轉向更小的 SMD 封裝（例如 SMT-3），以適應自動化組裝和空間受限的設計。
• 性能提升：開發具有更快響應時間、更低暗電流和更高溫度穩定性的元件，以滿足汽車、工業和消費性電子產品中更嚴苛的應用需求。
• 應用特定優化：感測器正針對特定波長（例如，用於特定紅外線波長的心率監測）或內建日光濾鏡進行客製化。

光電晶體的基本工作原理仍然有效，而像 LTR-209 這樣的元件，由於其簡單性、穩健性和低成本，對於從基本到中階的廣泛感測需求，仍然是可靠的選擇。