LTR-1650D 光電晶體規格書 - 封裝尺寸 5.0x4.0x3.2mm - 電壓 30V - 功率 100mW - 暗色透明封裝 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-1650D 是一款專為紅外線偵測應用設計的矽質 NPN 光電晶體。它採用低成本、暗色透明的塑膠封裝，能有效濾除可見光，同時允許紅外線波長（主要約 940nm）通過。整合式透鏡可將入射的紅外線輻射聚焦於電晶體的主動區域，從而提升元件的靈敏度。此元件在廣泛的工作溫度範圍內均具備可靠的性能，適用於各種感測與控制系統。

2. 主要特性與核心優勢

• 寬廣的集極電流範圍：本元件提供多種性能分級（A 至 F），導通集極電流 (IC(ON)) 的選擇範圍從最低 0.2mA 到最高超過 9.6mA，讓設計師能根據特定的靈敏度需求選擇合適的型號。
• 高靈敏度透鏡：整合式環氧樹脂透鏡增加了紅外線的有效收集面積，改善了訊噪比與整體響應度。
• 具成本效益的塑膠封裝：採用標準、經濟的塑膠外殼，適合大量生產與廣泛的市場應用。
• 特殊暗色透明封裝：封裝材料經過染色處理以衰減可見光，減少環境光源的干擾，並在光線條件變化的環境中提升性能。

3. 深入技術參數分析

3.1 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。不保證在此條件下操作。

• 功率損耗 (P_D)：在 T_A=25°C 時為 100 mW。這是元件能安全以熱能形式散發的最大功率。
• 集極-射極電壓 (V_CEO)：30 V。在基極開路的情況下，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 (T_opr)：-40°C 至 +85°C。元件被指定可在此環境溫度範圍內運作。
• 儲存溫度範圍 (T_stg)：-55°C 至 +100°C。
• 引腳焊接溫度：距離封裝本體 1.6mm 處，260°C 持續 5 秒。這對於波焊或迴焊製程至關重要。

3.2 電氣與光學特性 (T_A=25°C)

以下參數是在特定條件下測試所得，定義了元件的性能。

• 集極-射極崩潰電壓 (V_(BR)CEO)：30 V (最小值)。在無輻照度 (E_C= 0 mW/cm²) 且 I_e= 1mA 的條件下測試。
• 射極-集極崩潰電壓 (V_(BR)ECO)：5 V (最小值)。在無輻照度且 I_E= 100µA 的條件下測試。
• 集極-射極飽和電壓 (V_CE(SAT))：0.4 V (最大值)。當電晶體完全導通時，跨接於其兩端的電壓降，測試條件為 I_C= 100µA 且 E_e= 1 mW/cm²。低 V_CE(SAT)對於高效能開關應用是理想的。
• 上升時間 (T_r) 與下降時間 (T_f)：10 µs (典型值)。這些開關速度參數是在 V_CC=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩ 的條件下測量。它們決定了光電晶體對光強度變化的響應速度。
• 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，流經集極的漏電流。低暗電流對於微光偵測中良好的訊噪比至關重要。

3.3 導通集極電流 (I_C(ON)) 分級系統

LTR-1650D 根據其靈敏度被分類為不同的等級，靈敏度定義為在標準化條件 (V_CE= 5V, E_e= 1 mW/cm², λ = 940nm) 下測量的導通集極電流。這使得能根據應用的增益需求進行精確選擇。

• 等級 A：0.2 - 0.6 mA
• 等級 B：0.4 - 1.2 mA
• 等級 C：0.8 - 2.4 mA
• 等級 D：1.6 - 4.8 mA
• 等級 E：3.2 - 9.6 mA
• 等級 F：6.4 mA (最小值)

設計師在下單時應查閱特定的等級代碼，以確保光電晶體符合電路的靈敏度與輸出電流需求。

4. 性能曲線分析

規格書提供了數條特性曲線，用以說明關鍵參數如何隨環境與電氣條件變化。

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。這是半導體的基本特性，熱產生的電荷載子會變得更加普遍。在高溫應用中，增加的漏電流可能成為顯著的雜訊源，必須在感測放大器閾值的設計中考慮進去。

4.2 集極功率損耗 vs. 環境溫度 (圖 2)

此圖描述了最大允許功率損耗隨著環境溫度升高而遞減的情況。在 25°C 時，元件可承受 100mW。隨著溫度上升，此額定值線性下降。為了在 25°C 以上可靠運作，實際損耗的功率 (V_CE* I_C) 必須保持在遞減曲線以下。這對於防止熱失控並確保長期可靠性至關重要。

4.3 上升與下降時間 vs. 負載電阻 (圖 3)

此曲線展示了開關速度與負載電阻 (R_L) 之間的權衡。上升與下降時間隨著負載電阻增大而增加。這是因為較大的 R_L會與光電晶體的接面電容形成較大的 RC 時間常數。對於需要快速脈衝偵測的應用，應使用較小的負載電阻，儘管這會以降低輸出電壓擺幅為代價。

4.4 相對集極電流 vs. 輻照度 (圖 4)

此圖顯示了入射紅外線輻照度 (E_e) 與產生的集極電流之間的關係。在一定範圍內，響應大致是線性的，這對於類比光感測應用是理想的。此線的斜率代表元件的響應度。理解此特性對於將感測器輸出校準到特定光強度水平至關重要。

4.5 靈敏度圖 (圖 5)

此極座標圖說明了光電晶體靈敏度的角度依賴性。當紅外線垂直入射透鏡 (0°) 時，靈敏度通常最高。隨著入射角增加，靈敏度會降低。此特性對於設計應用中的光路至關重要，例如確保槽型遮斷器的正確對準，或定義接近感測器的視野。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

本元件採用標準 3mm (T-1) 徑向引腳封裝。關鍵尺寸包括：

• 封裝本體直徑：約 5.0mm。
• 封裝高度：約 3.2mm (不含引腳)。
• 引腳間距：在引腳從封裝伸出的位置測量，通常為 2.54mm (0.1")。
• 法蘭下方允許最大 1.5mm 的樹脂突出。

注意：除非另有說明，所有尺寸單位均為毫米，標準公差為 ±0.25mm。設計師必須參考詳細的機械圖面以進行精確的佔位面積與放置規劃。

5.2 極性辨識

光電晶體有兩根引腳：集極與射極。較長的引腳通常是集極。封裝上也可能在集極引腳附近有平面側或其他標記。正確的極性對於電路的正常運作以及施加正確的偏壓至關重要。

6. 焊接與組裝指南

• 手工焊接：使用溫控烙鐵。限制焊接時間，以防止過多熱量傳遞到半導體晶粒。
• 波焊/迴焊：嚴格遵守最大額定值：距離封裝本體 1.6mm 處測量，260°C 持續 5 秒。超過此限制可能損壞內部接線或環氧樹脂封裝。
• 清潔：使用與暗色透明環氧樹脂相容的適當溶劑。除非確認對封裝安全，否則避免使用超音波清洗。
• 儲存：在指定的溫度範圍 (-55°C 至 +100°C) 內，儲存於乾燥、防靜電的環境中，以防止吸濕（可能導致迴焊時產生爆米花現象）和靜電放電損壞。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用場景

• 物體偵測與遮斷：用於槽型光開關（例如：印表機中的紙張偵測、3D 印表機中的終點感測）。
• 接近感測：與紅外線 LED 配對，用於非接觸式物體偵測。
• 編碼器：偵測旋轉盤上的圖案，用於速度或位置測量。
• 工業控制：用於需要抗環境光干擾的自動化設備感測。
• 消費性電子產品：紅外線遙控接收器（雖然常與專用 IC 搭配使用，但光電晶體可構成前端）。

7.2 關鍵設計考量

• 偏壓電路：光電晶體可用於開關（共射極）或隨耦器（射極隨耦器）配置。共射極配置提供電壓增益，常用於數位開關。需要一個上拉電阻 (R_L)。
• 選擇 R_L:負載電阻值的選擇涉及權衡。對於給定的光電流，較大的 R_L能提供較大的輸出電壓擺幅，但會減慢開關速度（見圖 3）。請根據所需的速度與訊號位準進行選擇。
• 環境光抑制：雖然暗色封裝有幫助，但強烈的環境紅外線光源（陽光、白熾燈泡）仍可能使感測器飽和。考慮使用光學濾波片、調變紅外線光源，並在接收電路中使用同步偵測技術。
• 溫度補償：對於精密的類比感測，必須在訊號調理電路中補償暗電流與靈敏度隨溫度的變化（圖 1 與圖 2）。
• 電氣雜訊：集極的高阻抗節點容易受到電磁干擾 (EMI) 影響。保持走線短，必要時使用屏蔽，並考慮在 R_L兩端並聯一個小電容（例如：10-100pF）以濾除高頻雜訊，同時注意其對速度的影響。

8. 技術比較與差異化

與基本的光二極體相比，像 LTR-1650D 這樣的光電晶體提供了內部增益，對於相同的光輸入能產生更大的輸出電流，這在簡單的開關應用中通常省去了額外的外部放大器。與光達靈頓電晶體相比，它提供了更快的響應時間（微秒級 vs. 數十/數百微秒級），但增益較低。針對 I_C(ON)的特定分級系統，相較於只有單一寬泛規格的元件，允許進行更嚴謹的系統設計。暗色透明封裝是與透明封裝的關鍵區別，提供了內建的可見光抑制功能。

9. 常見問題 (基於技術參數)

9.1 "BIN" 規格代表什麼意思？該如何選擇？

BIN 代碼 (A 至 F) 指定了光電晶體靈敏度 (I_C(ON)) 的保證範圍。請根據您的特定輻照度水平所需的輸出電流來選擇等級。對於需要更高靈敏度/更低光水平的應用，請選擇字母較高的等級（例如：E 或 F）。對於成本敏感且高增益不關鍵的應用，較低的等級（A 或 B）可能就足夠了。

9.2 為什麼暗電流很重要？

暗電流 (I_CEO) 是沒有光入射時存在的輸出訊號。它設定了可偵測光的下限，並作為一個雜訊源。在數位開關應用中，電路的偵測閾值必須設定在高於預期的最大暗電流之上，特別是在高溫下，暗電流會顯著增加。

9.3 負載電阻如何影響性能？

負載電阻 (R_L) 直接影響兩個關鍵參數：輸出電壓(V_out= I_C* R_L) 與開關速度(見圖 3)。您必須選擇 R_L以實現邏輯位準或 ADC 輸入所需的電壓擺幅，同時確保上升/下降時間對於您應用的資料速率或響應時間足夠快。

9.4 我可以在明亮的陽光下使用它嗎？

暗色透明封裝提供了一些抑制能力，但直射陽光含有強烈的紅外線輻射，很容易使感測器飽和。對於戶外使用，必須採取額外措施：物理遮光（遮光罩）、中心波長與您的紅外線光源匹配的窄帶光學濾波片（例如：940nm），並且最好在接收電路中使用調變紅外線光源與同步偵測，以將訊號與陽光的穩定直流分量區分開來。

10. 實務設計與使用案例研究

情境：為印表機設計紙張偵測感測器。

1. 選擇：選擇中等靈敏度等級（例如：等級 C 或 D），以確保可靠的觸發，同時不會對灰塵或反射過於敏感。
2. 電路配置：使用共射極開關配置。將 LTR-1650D 與一個紅外線 LED（例如：940nm）配對，放置在紙張路徑的對側。
3. 元件數值設定：選擇一個 R_L值（例如：4.7kΩ），使得當紙張存在（阻擋光線，I_C較低）時輸出為邏輯低電位（接近 0V），而當紙張不存在（有光線，I_CC較高）時輸出為邏輯高電位（接近 V_C）。確認電壓位準與微控制器的輸入腳位相容。
4. 抗雜訊能力：在 R_L兩端並聯一個 10nF 電容，以抑制來自印表機馬達的電氣雜訊。由此產生的速度（約 100µs）仍遠快於機械紙張移動的速度。
5. 對準：使用靈敏度圖（圖 5）來指導機械設計。確保紅外線 LED 與光電晶體在高靈敏度錐形區域內（例如：±20°）對準，以最大化訊號強度。
6. 測試：在最壞情況下測試感測器：高溫（檢查增加的暗電流）以及使用各種紙張類型（有些可能對紅外線更為半透明）。

11. 工作原理

光電晶體本質上是一種雙極性接面電晶體 (BJT)，其基極電流是由光產生，而非由電氣供應。能量大於半導體能隙的入射光子被基極-集極接面區域吸收，產生電子-電洞對。反向偏壓的集極-基極接面中的電場會掃過這些載子，有效地產生充當基極電流 (I_B) 的光電流。這個光生基極電流接著被電晶體的電流增益 (h_FE) 放大，產生大得多的集極電流 (I_C= h_FE* I_B)。這種內部放大是其相較於簡單光二極體的關鍵優勢。暗色透明封裝材料充當長通濾波器，允許紅外線波長（如 940nm）通過，同時吸收較短的可見光波長，從而改善在可見光環境中的訊噪比。

12. 產業趨勢與發展

光電產業持續演進。雖然像 LTR-1650D 這樣的離散式光電晶體在成本敏感、大量生產或特定性能應用中仍然至關重要，但更廣泛的趨勢包括：

• 整合化：越來越多地將光偵測器與類比前端放大器、類比-數位轉換器 (ADC) 和數位邏輯整合到單晶片解決方案中（例如：環境光感測器、接近感測器模組）。這些方案提供校準後的數位輸出、更小的佔位面積和簡化的設計，但單位成本可能較高。
• 微型化：對更小封裝尺寸（例如：晶片級封裝）的需求，以適應不斷縮小的消費性電子產品。
• 性能提升：開發具有更低暗電流、更快響應時間（進入奈秒範圍）和更高靈敏度的元件，以滿足如 LiDAR 和高速通訊等更嚴苛的應用。
• 專業化：針對特定波長（例如：心率監測、氣體感測）或內建光譜濾波片的感測器。

離散式光電晶體很可能將繼續在那些其簡單性、穩健性、低成本以及特定性能特點（如 LTR-1650D 的暗色封裝）能提供最佳解決方案的應用中佔有一席之地。