空調(diào)、電視、機(jī)頂盒這類家電的紅外接收頭，拆開外殼往往能看到一個(gè)黑色環(huán)氧樹脂封裝的小圓柱體，引腳間距2.54mm，頂端帶一個(gè)凸透鏡。它就是紅外接收前端的第一級(jí)光電器件。整機(jī)對(duì)它的要求其實(shí)不低：遙控器發(fā)射的940nm紅外信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后，接收端要在3V至5V供電下、室內(nèi)光照度0至20000lx的范圍內(nèi)穩(wěn)定解調(diào)，同時(shí)還不能因?yàn)槿展鉄艋虬谉霟糁械募t外成分而誤觸發(fā)。接收頭的靈敏度直接取決于第一級(jí)光電晶體管的光電流與暗電流之比。
WP7113P3BT就是應(yīng)用在這一級(jí)的器件。它的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為940nm，恰好與遙控發(fā)射管、紅外對(duì)管的常用波段對(duì)齊。下面從工況需求開始，逐步展開這顆料在接收前端的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
紅外接收前端對(duì)光電晶體管提出的量化指標(biāo)
遙控接收?qǐng)鼍坝袔讉€(gè)硬約束。接收頭通常從主板3.3V或5V軌取電，經(jīng)過(guò)限流電阻和光敏管后，輸出信號(hào)擺幅要夠大，才能被后級(jí)比較器或解碼IC識(shí)別。紅外發(fā)射端的調(diào)制載波一般在30kHz至56kHz之間，接收管本身的響應(yīng)時(shí)間需要遠(yuǎn)快于載波周期，否則信號(hào)邊沿會(huì)塌陷。
環(huán)境光抑制是另一個(gè)維度。白熾燈、日光燈的紅外輻射會(huì)抬高光電管的直流工作點(diǎn)，如果暗電流偏大，負(fù)載電阻上的壓降會(huì)把信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍吃掉。這類應(yīng)用中，暗電流通常要求控制在百nA量級(jí)。溫度也繞不開——家電內(nèi)部的接收板在夏季封閉機(jī)箱里可能接近60℃，冬季冷啟動(dòng)時(shí)又低至零下。器件的工作溫度范圍要覆蓋-40℃到85℃才比較穩(wěn)妥。
安裝方向上，由于遙控器可能從正前方或斜上方發(fā)射，接收管的受光面需要朝向上方或前方。頂部朝向（Top View）的徑向封裝正好匹配這種布置。
透過(guò)封裝與參數(shù)看WP7113P3BT的適配性
這顆料采用徑向引線封裝，頂部受光。引腳可以直接穿孔焊接在遙控接收小板或編碼器PCB上，不需要貼片回流焊的額外工藝。對(duì)于年產(chǎn)量不大的小家電控制板，這種封裝在產(chǎn)線上的返修也方便——剪腳、插件、波峰焊即可完成。
耐壓方面，集電極-發(fā)射極擊穿電壓最大30V，遠(yuǎn)超3.3V/5V供電場(chǎng)景的需求。這個(gè)裕量在紅外對(duì)管做長(zhǎng)線傳輸?shù)墓I(yè)編碼器里也有用，供電瞬態(tài)或感性負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)不易擊穿它。下面把關(guān)鍵參數(shù)整理成表，逐項(xiàng)說(shuō)明工程含義。
實(shí)際接線：負(fù)載電阻、后級(jí)比較器與光路配合
典型接法是共發(fā)射極電路。集電極通過(guò)負(fù)載電阻RL接到VCC，發(fā)射極接地，光電流在RL上產(chǎn)生電壓降。RL取值需要折中：取值大，靈敏度高但響應(yīng)變慢；取值小，響應(yīng)快但輸出擺幅小。經(jīng)驗(yàn)上，遙控接收用47kΩ至220kΩ之間的電阻比較常見(jiàn)，配合后級(jí)比較器（如LM393）的閾值設(shè)定即可穩(wěn)定輸出。
光路一側(cè)要加紅外濾光片。黑色環(huán)氧封裝本身已經(jīng)起到一部分可見(jiàn)光抑制作用，但正對(duì)陽(yáng)光或強(qiáng)燈光時(shí)仍需要外部濾光片進(jìn)一步壓低可見(jiàn)光成分。發(fā)射端用940nm紅外LED，接收管與發(fā)射管軸線之間保持15°至30°的夾角，避免直射光飽和。
后級(jí)信號(hào)鏈路通常是：光電管→負(fù)載電阻→隔直電容→比較器→解碼IC。電容取值與載波頻率有關(guān)，30kHz至40kHz載波下，0.1μF量級(jí)的耦合電容較為常見(jiàn)。解碼IC的輸入阻抗要和耦合網(wǎng)絡(luò)匹配，否則信號(hào)會(huì)被衰減。
如果多個(gè)接收管并聯(lián)做區(qū)域檢測(cè)，注意它們的暗電流會(huì)疊加。100nA的暗電流單顆不算什么，但8顆并聯(lián)到同一個(gè)負(fù)載電阻上，暗電流帶來(lái)的偏置就不可忽略了。
設(shè)計(jì)中的散熱、降額與抗干擾處理
功耗上限100mW，這顆晶體管本身并不是發(fā)熱器件，但在高環(huán)境溫度下連續(xù)工作時(shí)仍需留出降額空間。實(shí)際項(xiàng)目中，光電流乘以集電極-發(fā)射極電壓的乘積不應(yīng)超過(guò)功耗上限的50%，即50mW左右。如果供電5V、光電流1mA，乘積約5mW，余量充足。反過(guò)來(lái)，若在強(qiáng)光下光電流達(dá)到10mA，壓降5V，就到了50mW的邊界，這時(shí)應(yīng)該減小RL或增加限流措施。
EMC方面，徑向封裝引腳較長(zhǎng)時(shí)容易拾取干擾。PCB走線上，光電管的輸出到比較器之間的走線應(yīng)盡量短，必要時(shí)用地線包圍。整機(jī)做ESD測(cè)試時(shí)，受光面若直接暴露在面板開孔處，建議在窗口內(nèi)側(cè)加一片導(dǎo)電泡棉或金屬網(wǎng)做泄放。
環(huán)境光干擾的因果鏈值得說(shuō)清楚：日光燈中的紅外成分讓光電管產(chǎn)生額外光電流→負(fù)載電阻上靜態(tài)工作點(diǎn)偏移→比較器閾值被抬高→遙控信號(hào)幅度低于閾值→解碼失敗。解決方式無(wú)非是加濾光片、降低RL、或改用帶AGC的專用接收頭。選哪種取決于整機(jī)成本和抗干擾等級(jí)要求。
潮濕環(huán)境是另一個(gè)失效誘因。徑向封裝雖然本體密封性較好，但引腳根部在長(zhǎng)期濕熱下可能沿引線爬入水汽，導(dǎo)致暗電流增大。戶外或廚房電器中的接收板建議做三防漆涂覆處理，涂覆時(shí)注意不要把受光面糊住。
WP7113P3BT規(guī)格參數(shù)對(duì)照
| 參數(shù)名 | 數(shù)值 | 工程意義說(shuō)明 |
|---|---|---|
| Voltage - Collector Emitter Breakdown (Max)（集電極-發(fā)射極擊穿電壓） | 30 V | 此參數(shù)表示器件在截止?fàn)顟B(tài)下CE兩端能承受的最高電壓。超過(guò)此值通常導(dǎo)致漏電流急劇上升乃至擊穿。 |
| Current - Dark (Id) (Max)（暗電流） | 100 nA | 無(wú)光照條件下流過(guò)管子的漏電流。此值越大，負(fù)載電阻上的靜態(tài)偏置越高，可用信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍越小。 |
| Wavelength（峰值波長(zhǎng)） | 940 nm | 器件響應(yīng)度最高的光波長(zhǎng)，通常與紅外LED發(fā)射峰值對(duì)齊使用。 |
| Power - Max（最大功耗） | 100 mW | 光電流與CE壓降乘積的上限。實(shí)際使用一般降額至50%左右以保留溫度裕量。 |
| Mounting Type（安裝方式） | Through Hole | 通孔插件安裝，適合波峰焊或手工焊接的小批量控制板。 |
| Orientation（朝向） | Top View | 受光面朝封裝頂部，適合面板開孔正對(duì)使用方向的布置。 |
| Operating Temperature（工作溫度） | -40°C ~ 85°C | 此范圍覆蓋多數(shù)家電和室內(nèi)工業(yè)設(shè)備的工況，超出后暗電流和響應(yīng)度會(huì)明顯漂移。 |
| Package / Case（封裝形式） | Radial | 徑向引線封裝，引腳間距通常為2.54mm，便于穿孔安裝。 |
表里最值得多看一眼的是暗電流和功耗兩項(xiàng)。100nA在同類光電晶體管里屬于常規(guī)水平，對(duì)于遙控接收的負(fù)載電阻取值（47kΩ至220kΩ）來(lái)說(shuō)，暗電流在負(fù)載上產(chǎn)生的壓降不到0.02V，可以忽略。但如果應(yīng)用場(chǎng)景是微弱光信號(hào)檢測(cè)——比如光電編碼器的低轉(zhuǎn)速段——那暗電流就變成了一個(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的噪聲源。管子的響應(yīng)度隨溫度升高而上升，暗電流也同步變大，85℃時(shí)暗電流可能比25℃時(shí)高出數(shù)倍，這一點(diǎn)手冊(cè)上不會(huì)明說(shuō)，需要從暗電流-溫度曲線上估。
30V的CE耐壓放在遙控接收?qǐng)鼍袄锸抢速M(fèi)的，但如果是紅外對(duì)管用在24V工業(yè)控制回路上，這個(gè)耐壓就是剛需了。選型時(shí)看清實(shí)際加在CE兩端的最高電壓，留出至少50%的裕量再去匹配。
從參數(shù)出發(fā)的三條落地設(shè)計(jì)建議
第一，把暗電流當(dāng)成溫度的函數(shù)來(lái)看。如果你的設(shè)備工作在溫差大的環(huán)境（比如戶外機(jī)柜夏季70℃），負(fù)載電阻的取值要在最高工作溫度下重新校核一遍，確保暗電流產(chǎn)生的偏置電壓不超過(guò)比較器閾值的10%。25℃下算出來(lái)的RL值，到70℃時(shí)可能就不合適了。
第二，功耗降額不要只看平均值。光電流是脈沖式的，紅外遙控發(fā)射時(shí)管子的瞬時(shí)電流可能數(shù)倍于平均值。用示波器測(cè)一下負(fù)載電阻上的峰值壓降，乘以供電電壓得到瞬時(shí)功耗，確保不超過(guò)100mW的一半。峰值算不過(guò)去的話，別無(wú)他法，只能減小RL再重新調(diào)閾值。
第三，引腳處理和光路清潔度容易被忽略。徑向封裝的引腳在彎折時(shí)不要齊根折，留至少1mm的緩沖長(zhǎng)度，否則環(huán)氧體根部會(huì)產(chǎn)生微裂紋。受光面的透鏡如果沾了助焊劑殘?jiān)蛑讣y，光電流會(huì)下降10%至20%，裝配后用無(wú)水乙醇擦拭并做首件光電流測(cè)試，比出了問(wèn)題再排查要省事得多。
