LTR-S320-TB-L 紅外線光電晶體規格書 - 側視封裝 - 940nm 峰值波長 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTR-S320-TB-L 是一款專為近紅外線光譜感測應用設計的分立式紅外線光電晶體。它屬於廣泛的光電元件家族，適用於需要可靠紅外線偵測的系統。此元件旨在將入射的紅外線輻射轉換為其輸出端上相應的電氣訊號。

此元件的核心功能基於半導體接面內的光電效應。當具有足夠能量（對應其峰值靈敏度波長）的紅外線照射到感光區域時，會產生電子-電洞對。在光電晶體中，此光電流會被內部放大，與簡單的光電二極體相比，能產生更大的集極電流，使其適合偵測較低的光線強度，或搭配更簡單的電路使用。

其主要設計目標包括與現代自動化組裝製程相容、能耐紅外線迴焊的穩健性，以及便於整合到空間受限的印刷電路板（PCB）佈局中的外型尺寸。

1.1 產品特點

• 符合 RoHS（有害物質限制）指令，並歸類為綠色產品。
• 採用帶有深色環氧樹脂圓頂透鏡的側視封裝結構。側視方向允許感測器偵測平行於 PCB 平面的紅外線訊號，這對於邊緣感測應用或當紅外線光源不垂直於電路板時非常有用。
• 深色透鏡材料有助於衰減可見光，減少環境光源的干擾，並提高紅外線訊號的信噪比。
• 以 8mm 載帶包裝於 7 英吋直徑捲盤上，針對高速自動化取放組裝設備進行了優化。
• 封裝和材料設計可承受表面黏著技術（SMT）組裝線中使用的標準紅外線（IR）迴焊溫度曲線。
• 符合 EIA（電子工業聯盟）標準封裝外形，確保與業界標準的焊盤圖形和處理設備的機械相容性。

1.2 應用領域

• 紅外線接收模組：主要用作遙控系統（例如電視、音響設備、空調）接收器中的感測元件。它偵測來自遙控器的調變紅外線訊號。
• PCB 安裝式紅外線感測器：直接整合到 PCB 上，用於智慧型手機、平板電腦、家電和工業設備等裝置中的接近感測、物體偵測或資料傳輸。
• 安全與警報系統：可用於光束中斷感測器或反射式物體感測器，進行入侵偵測。
• 工業自動化：用於組裝線上計數、定位或偵測物體存在/不存在的設備。

2. 技術參數深入解析

本節提供對定義 LTR-S320-TB-L 光電晶體性能和操作限制的關鍵電氣與光學參數的詳細、客觀解讀。

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。不保證在或接近這些極限下操作，在可靠的設計中應避免。

• 功率消耗（Pd）：在環境溫度（Ta）為 25°C 時為 75 mW。這是元件在不超過其熱限值的情況下能以熱量形式消耗的最大功率。降額曲線（規格書中的圖 2）顯示此額定值如何隨著環境溫度升高而降低。
• 集極-射極電壓（V_CEO）：30 V。在基極開路的情況下，可施加於集極和射極端子之間的最大電壓。
• 射極-集極電壓（V_ECO）：5 V。可施加於射極和集極之間的最大反向電壓。
• 操作溫度範圍：-40°C 至 +85°C。元件被指定能正常操作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度範圍：-55°C 至 +100°C。元件未通電時的儲存溫度範圍。
• 紅外線焊接條件：可承受最高 260°C 的峰值溫度，最長 10 秒。這定義了其與無鉛（Pb-free）迴焊製程的相容性。

2.2 電氣與光學特性

這些是在 25°C 特定測試條件下測得的典型和保證性能參數。

• 峰值感測波長（λ_p）：940 nm。光電晶體最敏感的紅外線波長。它與常見的 940nm 砷化鎵紅外線發光二極體（IRED）的發射波長達到最佳匹配。
• 集極暗電流（I_CEO）：在 V_CE=20V、E_e=0 mW/cm² 條件下，最大值為 100 nA。這是當沒有紅外線照射（暗態）時流經集極的微小漏電流。較低的暗電流通常對微弱訊號的靈敏度更佳。
• 導通狀態集極電流（I_C(ON)）：在 V_CE=5V 且使用 940nm 光源、輻照度（E_e）為 0.5 mW/cm² 的條件下，典型值為 2.0 mA，最小值為 1.0 mA。此參數表示在給定標準輸入光強度下的輸出電流水平。測試容差為 ±15%。
• 集極-射極飽和電壓（V_CE(SAT)）：在 I_C=100µA、E_e=0.5 mW/cm² 條件下，最大值為 0.4 V。這是在指定的低電流條件下，電晶體完全導通（飽和）時兩端的電壓降。
• 上升時間（T_r）與下降時間（T_f）：在 V_CE=5V、I_C=1mA、R_L=1kΩ 條件下，典型值各為 15 µs。這些參數定義了光電晶體的開關速度——輸出電流在響應光線的階躍變化時，從最終值的 10% 上升到 90%（上升時間）以及從 90% 下降到 10%（下降時間）的速度。此速度適用於標準遙控協定（例如 36-40kHz 載波）。

3. 性能曲線分析

規格書包含多個圖表，說明關鍵參數如何隨操作條件變化。理解這些曲線對於穩健的電路設計至關重要。

3.1 光譜靈敏度（圖 5）

此曲線繪製了光電晶體在一系列波長下的相對靈敏度。它確認了在 940nm 處的峰值靈敏度，並顯示在較短（可見光）和較長（遠紅外線）波長處靈敏度顯著下降。深色透鏡有助於衰減可見光譜的靈敏度，減少環境光產生的雜訊。

3.2 相對集極電流 vs. 輻照度（圖 3）

此圖顯示輸出集極電流與入射紅外線功率密度（輻照度）之間的關係。在一定範圍內通常是線性的，表明輸出電流與光強度成正比，這對於類比感測應用是理想的。該曲線有助於設計師確定給定光輸入下的預期輸出。

3.3 集極暗電流 vs. 溫度（圖 1）與功率消耗降額（圖 2）

圖 1 顯示暗電流（I_CEO）隨著環境溫度升高呈指數增長。這是高溫應用中的關鍵考量，因為增加的暗電流會提高雜訊基底，並可能降低有效靈敏度。圖 2 顯示最大允許功率消耗隨著環境溫度升高而降額。超過 25°C 時，元件能安全處理的功率會減少，因為其向環境散熱的能力降低。

3.4 上升/下降時間 vs. 負載電阻（圖 4）

此曲線說明了光電晶體電路設計中的一個基本權衡。開關速度（上升/下降時間）高度依賴於連接到集極的負載電阻（R_L）。較大的 R_L會增加輸出電壓擺幅，但也會增加 RC 時間常數，從而減慢響應時間。較小的 R_L能產生更快的開關速度，但輸出訊號較小。設計師必須根據其應用中速度或訊號幅度哪個更關鍵來選擇 R_L。

4. 機械與封裝資訊

4.1 外形尺寸

元件採用側視表面黏著封裝。關鍵尺寸包括本體尺寸、引腳間距和透鏡位置。所有關鍵尺寸均以毫米為單位提供，標準公差為 ±0.1mm，除非另有說明。圖紙中明確標示了側視方向。

4.2 極性識別

元件有兩個引腳。規格書圖紙標示了哪個引腳是集極，哪個是射極。在 PCB 組裝過程中必須注意正確的極性。通常，較長的引腳（如果載帶包裝中存在）或載帶上的標記角落表示集極。

4.3 建議焊盤佈局（第 6 節）

提供了 PCB 的建議焊盤圖形（Footprint）。這包括焊盤尺寸、間距和形狀，以確保迴焊後形成可靠的焊點。建議包括使用厚度為 0.1mm（4 mils）或 0.12mm（5 mils）的金屬鋼網進行錫膏印刷。

5. 焊接與組裝指南

5.1 迴焊溫度曲線

針對無鉛（Pb-free）組裝製程，建議使用詳細的紅外線迴焊溫度曲線。關鍵參數包括：

• 預熱：升溫至 150-200°C。
• 均熱/預熱時間：最長可達 120 秒。
• 峰值溫度：最高 260°C。
• 液相線以上時間（TAL）：在峰值溫度 ±5°C 範圍內的時間不應超過 10 秒。在此條件下，元件不應承受超過兩次的迴焊循環。

5.2 手工焊接

如果需要手工焊接，應使用溫度不超過 300°C 的烙鐵。每個引腳的接觸時間應限制在每個焊點最多 3 秒。

5.3 儲存與處理

• 密封包裝：元件以防潮袋包裝出貨，內含乾燥劑。應儲存在 ≤30°C 且 ≤60% 相對濕度的環境中。一旦密封袋被打開，元件即被視為濕度敏感元件。
• 車間壽命：打開原始包裝後，建議在一週（168 小時）內完成紅外線迴焊製程。
• 延長儲存/烘烤：若開封後儲存超過一週，應將元件存放在帶有乾燥劑的密封容器中。如果暴露時間超過此期限，則在焊接前需要在 60°C 下烘烤至少 20 小時，以去除吸收的水分，防止迴焊過程中發生爆米花現象（封裝開裂）。

5.4 清潔

如果需要清潔助焊劑殘留物，建議使用異丙醇或類似的醇基溶劑。應避免使用刺激性或侵蝕性的化學清潔劑。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 載帶與捲盤規格

元件以標準 7 英吋（178mm）直徑捲盤供應。關鍵包裝細節包括：

• 載帶寬度： 8mm.
• 每捲數量：3000 個。
• 最小訂購量（MOQ）：剩餘數量為 500 個。
• 元件凹槽覆蓋：空的元件凹槽用覆蓋膠帶密封。
• 缺件：根據包裝標準，最多允許連續兩個缺件。
• 包裝符合 ANSI/EIA-481-1-A 規範。

7. 應用設計考量

7.1 驅動電路配置

光電晶體是一種電流輸出裝置。最常見的電路配置是將其連接成共射極設置：

• 射極接地。
• 集極通過一個負載電阻（R_CC）連接到正電源電壓（V_L）。
• 輸出訊號取自集極節點。當光線照射感測器時，電晶體導通，將集極電壓拉低（趨向 V_CE(SAT)）。暗態時，電晶體關斷，集極電壓為高電平（通過 R_CC上拉至 V_L）。

7.2 改善信噪比（SNR）

• 光學濾波：內建的深色透鏡提供了一定的濾波功能。對於環境光較強的環境，可以使用額外的外部紅外線帶通濾波器（中心波長為 940nm）來阻擋不需要的光線。
• 電氣濾波：由於許多紅外線遙控器使用調變載波頻率（例如 38kHz），在後續的放大級中加入調諧到此頻率的帶通濾波器，可以通過抑制直流環境光和低頻雜訊來顯著提高信噪比。
• 屏蔽：對感測器進行機械屏蔽，避免直接暴露於環境光源（例如陽光、燈光），可以減少雜訊。

7.3 與紅外線發射器配對

對於反射式或接近感測應用，將 LTR-S320-TB-L 與發射波長在 940nm 或附近的紅外線 LED 配對使用。確保發射器的驅動電流足以在偵測器處產生所需的反射訊號。脈衝驅動發射器並同步偵測光電晶體的輸出，有助於將訊號與環境光區分開來。

8. 技術比較與差異化

與標準光電二極體相比，LTR-S320-TB-L 光電晶體提供固有的電流增益（β/h_FE），在相同的光輸入下能提供更大的輸出訊號。這簡化了電路設計，因為通常需要較少的後續放大。然而，這種增益的代價是較慢的響應時間（微秒級，而光電二極體為奈秒級）和較高的暗電流。側視封裝使其有別於頂視感測器，為沿 PCB 邊緣進行感測提供了設計靈活性。其與自動化 SMT 組裝和標準迴焊曲線的相容性，使其相較於通孔替代方案，成為大批量生產中具有成本效益的選擇。

9. 常見問題解答（FAQ）

9.1 深色透鏡的目的是什麼？

深色環氧樹脂透鏡充當可見光濾波器。它衰減可見光譜的光線，同時允許紅外線波長（約 940nm）通過。這降低了感測器對室內環境光、螢光燈和陽光的靈敏度，從而最大限度地減少雜訊，提高偵測目標紅外線訊號的可靠性。

9.2 如何選擇負載電阻（R_L）的值？

選擇涉及權衡。請使用規格書中的圖 4 作為指南。為了達到最大速度（最快的上升/下降時間），請選擇較小的 R_L（例如 1kΩ 或更小）。為了達到最大輸出電壓擺幅（更高的訊號幅度），請選擇較大的 R_L（例如 10kΩ 或更大），但這會減慢響應速度。確保當電晶體導通時（I_LC(ON)_{* R}），R_L兩端的電壓降不超過您的電源電壓減去 V_CE(SAT).

。

9.3 此感測器可以用於戶外嗎？

透過謹慎設計，可以用於戶外。直射陽光含有大量的紅外線輻射，可能使感測器飽和或引入雜訊。有效的濾光（窄帶 940nm 帶通濾波器）、適當的外殼以阻擋直射陽光，以及調變訊號偵測技術，對於可靠的戶外操作至關重要。

9.4 如果袋子打開超過一週，為什麼焊接前需要烘烤？

塑膠環氧樹脂封裝會從空氣中吸收水分。在高溫迴焊過程中，這些被困住的水分會迅速汽化，產生高內部壓力。這可能導致封裝開裂或分層，這種故障稱為爆米花現象。在 60°C 下烘烤可以驅除這些吸收的水分，使元件適合進行迴焊。

10. 實用設計範例

1. 情境：為玩具設計一個簡單的紅外線接近感測器。目標：
2. 偵測物體是否在感測器約 5 公分範圍內。元件：
3. LTR-S320-TB-L 光電晶體、940nm 紅外線 LED、微控制器（MCU）。電路：_L光電晶體通過 R_CC= 4.7kΩ 連接到 V
4. （3.3V）。其集極輸出連接到 MCU 的類比數位轉換器（ADC）引腳。紅外線 LED 放置在光電晶體旁邊，並通過一個限流電阻（例如，20mA）由 MCU 輸出引腳驅動。操作：
5. MCU 以特定頻率（例如 1kHz）短暫脈衝驅動紅外線 LED。然後讀取來自光電晶體的 ADC 值。當沒有物體存在時，反射訊號較低。當物體在範圍內時，紅外線反射回光電晶體，導致 ADC 讀數出現可測量的增加。在 MCU 軟體中設定一個閾值來偵測接近狀態。考量：_L必須屏蔽感測器免受環境紅外線源的影響。脈衝測量技術有助於將訊號與環境光區分開來。選擇 R