ITR8307/L24/TR8 Reflektiver Optischer Sensor Datenblatt - Bleifrei, RoHS, REACH konform - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der ITR8307/L24/TR8 ist ein kompakter, oberflächenmontierbarer reflektiver optischer Schalter für Kurzstrecken-Erkennungsanwendungen. Er integriert einen GaAs-Infrarot (IR)-Leuchtdioden (LED)-Sender und einen hochempfindlichen NPN-Silizium-Fototransistor-Empfänger in einem einzigen, nebeneinander angeordneten Kunststoffgehäuse. Diese Konfiguration ermöglicht es, das Vorhandensein oder Fehlen einer reflektierenden Oberfläche durch Messung der Intensität des zum Empfänger zurückreflektierten IR-Lichts zu detektieren.

Das Bauteil zeichnet sich durch seine schnelle Ansprechzeit, hohe Empfindlichkeit für Infrarotlicht und ein spektrales Ansprechverhalten aus, das sichtbare Wellenlängen abschneidet, wodurch es immun gegen Störungen durch Umgebungslicht ist. Es wird bleifrei (Pb-free) hergestellt, entspricht den EU-RoHS- und REACH-Richtlinien und erfüllt halogenfreie Anforderungen (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm).

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Die primären Vorteile dieses Sensors sind sein flaches Profil, kompakte Bauform und schnelle optische Reaktion, die für platzbeschränkte und hochgeschwindigkeitskritische Anwendungen entscheidend sind. Sein Design macht ihn geeignet für verschiedene Konsumelektronik und mikrocomputergesteuerte Geräte, die eine zuverlässige, berührungslose Objekterkennung erfordern.

Typische Zielanwendungen umfassen Positionserfassung in Geräten wie Digitalkameras (für Objektiv- oder Klappdeckelerkennung), Videorekordern (VCRs), Diskettenlaufwerken, Kassettenrekordern und anderen automatisierten Steuerungssystemen.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Das Bauteil darf nicht über diese Grenzwerte hinaus betrieben werden, um dauerhafte Beschädigungen zu vermeiden. Zu den wichtigsten Grenzwerten gehören eine Eingangs- (LED)-Verlustleistung von 75 mW bei 25°C Umgebungstemperatur, ein maximaler Durchlassstrom (IF) von 50 mA und ein Spitzendurchlassstrom (IFP) von 1 A für Impulse ≤100μs bei einem Tastverhältnis von 1%. Für den Ausgang (Fototransistor) beträgt die maximale Kollektorverlustleistung 75 mW, der Kollektorstrom (IC) 50 mA und die Kollektor-Emitter-Spannung (BV_CEO) 30 V. Der Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40°C und +85°C.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter sind bei einer Umgebungstemperatur (T_a) von 25°C spezifiziert und definieren die Leistung des Bauteils unter normalen Betriebsbedingungen.

2.2.1 Eingangs- (IR-LED) Eigenschaften

• Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,2 V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA, maximal 1,6 V. Dies ist entscheidend für den Entwurf der LED-Treiberstufe.
• Spitzenwellenlänge (λ_P):940 nm, was seine Emission fest im nahen Infrarotspektrum verortet.

2.2.2 Ausgangs- (Fototransistor) Eigenschaften

• Dunkelstrom (I_CEO):Der Leckstrom, wenn kein Licht einfällt, maximal 100 nA bei V_CE=10V. Ein niedrigerer Wert zeigt eine bessere Sperrzustandsleistung an.
• Hellstrom (I_C(ON)):Der Kollektorstrom, wenn die LED aktiviert ist und Licht auf den Empfänger reflektiert wird. Er hat einen weiten Bereich von 0,5 mA bis 15,0 mA unter Testbedingungen von V_CE=2V und I_F=4mA. Dieser Parameter hängt stark von der Reflexionsfähigkeit und dem Abstand des Zielobjekts ab.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r, t_f):Typischerweise jeweils 20 μs, definiert die Schaltgeschwindigkeit des Sensors.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die die Beziehung zwischen Schlüsselparametern unter variierenden Bedingungen veranschaulichen. Diese sind wesentlich, um das reale Verhalten über den typischen 25°C-Punkt hinaus zu verstehen.

3.1 IR-LED-Eigenschaften

Die Kurven zeigen, wie sich der Durchlassstrom mit der Umgebungstemperatur und der Durchlassspannung ändert. Die Durchlassspannung hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, d.h. sie nimmt mit steigender Temperatur ab. Die spektrale Verteilungskurve bestätigt die Spitzenemission bei 940 nm, wobei die Spitzenwellenlänge selbst sich leicht mit der Temperatur verschiebt.

3.2 Fototransistor-Eigenschaften

Wichtige Kurven umfassen Kollektordunkelstrom vs. Umgebungstemperatur (steigt exponentiell mit der Temperatur), Kollektorstrom vs. Bestrahlungsstärke (zeigt die Reaktion des Fototransistors auf Lichtintensität) und Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung. Die spektrale Empfindlichkeitskurve zeigt, dass der Empfänger am empfindlichsten für Infrarotlicht um 800-900 nm ist, was gut zur 940 nm-Ausgabe der LED passt.

3.3 Kompletter Sensor (ITR) Eigenschaften

Diese Diagramme modellieren das Verhalten des Sensors in einem praktischen reflektiven Aufbau. DieRelative Kollektorstrom vs. Abstand-Kurve ist kritisch für das Systemdesign und zeigt, wie das Ausgangssignal abklingt, wenn der Spalt zwischen Sensor und einer reflektierenden Oberfläche (wie aluminiumbedampftem Glas) zunimmt. Eine weitere Kurve zeigt die Ausgangsvariation, wenn eine Karte durch das Sichtfeld des Sensors bewegt wird, was für Kanten- oder Schlitzerkennung nützlich ist. Das Diagramm Ansprechzeit vs. Lastwiderstand hilft bei der Auswahl eines geeigneten Pull-up-Widerstands zur Optimierung der Geschwindigkeit.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem kompakten Oberflächenmontagegehäuse erhältlich. Das Datenblatt enthält detaillierte Maßzeichnungen mit kritischen Maßen wie Gesamtlänge, -breite, -höhe, Anschlussabstand und Pad-Dimensionen. Alle Toleranzen sind typischerweise ±0,1 mm, sofern nicht anders angegeben. Entwickler müssen sich für das PCB-Footprint-Design auf diese exakten Zeichnungen beziehen, um eine korrekte Lötung und mechanische Ausrichtung sicherzustellen.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Gehäuse enthält Markierungen oder eine spezifische Form, um Pin 1 anzuzeigen. Die korrekte Ausrichtung während der Bestückung ist entscheidend, da ein falscher Anschluss das Bauteil beschädigen kann. Der Pinout identifiziert die Anode und Kathode der IR-LED sowie den Kollektor und Emitter des Fototransistors.

5. Richtlinien für Lötung, Bestückung und Lagerung

5.1 Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Lagerung

Das Bauteil hat die Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) 4. Wichtige Handhabungsanweisungen umfassen:

• Haltbarkeit in der original versiegelten Feuchtigkeitsschutzverpackung: 12 Monate bei <40°C und <90% rF.
• Nach dem Öffnen der Verpackung müssen die Bauteile innerhalb von 72 Stunden bestückt werden, wenn sie unter Werksbedingungen (<30°C/60% rF) gelagert werden, oder in einer trockenen Umgebung (<20% rF) gelagert werden.
• Wenn die Feuchtigkeitsindikatorkarte (HIC) 20% rF überschreitet, ist vor dem Reflow-Löten ein Trocknen (z.B. 24 Stunden bei 125°C) erforderlich.

5.2 Reflow-Lötbedingungen

Ein empfohlenes bleifreies Reflow-Löttemperaturprofil wird bereitgestellt. Wichtige Vorsichtsmaßnahmen umfassen:

• Begrenzung der Reflow-Lötzyklen auf maximal zwei.
• Vermeidung mechanischer Belastung des Gehäuses während des Erhitzens.
• Verhinderung von Verzug der Leiterplatte nach dem Löten.

5.3 Reparatur

Eine Reparatur nach dem Löten wird nicht empfohlen. Falls unvermeidbar, sollte ein Doppelkopflötkolben verwendet werden, um beide Seiten des Bauteils gleichzeitig zu erhitzen und thermische Belastung zu minimieren. Die potenzielle Auswirkung auf die Bauteileigenschaften muss vorab bewertet werden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsspezifikationen

Der Standardverpackungsablauf ist: 1000 Stück pro Spule, 15 Spulen pro Karton und 2 Kartons pro Versandkarton.

6.2 Band- und Spulendimensionen

Detaillierte Zeichnungen für die Trägerbahn (Taschenabmessungen, Teilung) und die Spule (Durchmesser, Nabenmaß) sind für die Programmierung automatischer Bestückungsmaschinen bereitgestellt.

6.3 Etikettenspezifikation

Die Verpackungsetiketten enthalten Felder für Kundenteilenummer (CPN), Produktnummer (P/N), Menge (QTY) und Losnummer (LOT No.) unter anderem zur Rückverfolgbarkeit.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

Eine grundlegende Anwendungsschaltung beinhaltet einen in Reihe mit der IR-LED-Anode geschalteten strombegrenzenden Widerstand. Der Fototransistor ist typischerweise mit dem Kollektor an einen Pull-up-Widerstand (V_CC) und den Emitter an Masse angeschlossen. Die Spannung am Kollektorknoten dient als digitales oder analoges Ausgangssignal. Der Wert des Pull-up-Widerstands (R_L) beeinflusst sowohl den Ausgangsspannungshub als auch die Ansprechzeit, wie in den Datenblattkurven gezeigt.

7.2 Designüberlegungen

• Objektreflexionsvermögen:Der Ausgang des Sensors (I_C(ON)) ist direkt proportional zum Reflexionsvermögen der Zieloberfläche. Hochreflektierende Materialien (z.B. weißer Kunststoff, Metall) liefern ein starkes Signal, während dunkle oder absorbierende Materialien dies möglicherweise nicht tun.
• Abstand und Ausrichtung:Der Erfassungsabstand ist kurz (typischerweise wenige Millimeter). Eine präzise mechanische Ausrichtung zwischen Sensor und Zielpfad ist für einen konsistenten Betrieb entscheidend.
• Immunität gegen Umgebungslicht:Obwohl die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers sichtbares Licht abschneidet, können starke Umgebungsinfrarotquellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) Störungen verursachen. In solchen Umgebungen können optische Abschirmung oder Modulations-/Demodulationstechniken erforderlich sein.
• Elektrisches Rauschen:In verrauschten Umgebungen werden Bypass-Kondensatoren in der Nähe des Bauteils und ein sorgfältiges PCB-Layout empfohlen.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu einfacheren Fototransistoren oder Fotodioden integriert der ITR8307 sowohl Sender als auch Empfänger, was das optische Design und die Ausrichtung vereinfacht. Gegenüber transmissiven Sensoren (die ein Objekt benötigen, das einen Strahl zwischen separaten Komponenten unterbricht) ermöglichen reflektive Sensoren ein einfacheres mechanisches Design mit Erfassung auf einer Seite des Objekts. Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind sein kompaktes SMD-Gehäuse, die Einhaltung moderner Umweltvorschriften (bleifrei, halogenfrei) und die gut dokumentierte Leistung über den Temperaturbereich.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQs) basierend auf technischen Parametern

F: Was ist der typische Erfassungsabstand?

A: Der Abstand ist keine feste Spezifikation, sondern hängt vom Zielreflexionsvermögen und dem erforderlichen Ausgangsstrom ab. Die "Relative Kollektorstrom vs. Abstand"-Kurve zeigt, dass das Signal für eine Standard-Reflexionsfläche deutlich über 1-2 mm abklingt. Für den kürzesten zuverlässigen Abstand auslegen.

F: Kann ich die LED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?

A: Nein. Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Sie müssen einen Reihenstrombegrenzungswiderstand verwenden, um den Durchlassstrom (I_F) basierend auf Ihrer Versorgungsspannung (V_CC) und der Durchlassspannung der LED (V_F≈ 1,2V) auf den gewünschten Wert (z.B. 20 mA) einzustellen. R_limit= (V_CC- V_F) / I_F.

F: Warum gibt es einen so weiten Bereich für den Hellstrom (0,5 bis 15,0 mA)?

A: Dieser Bereich berücksichtigt normale Fertigungstoleranzen sowohl in der Ausgangsleistung der LED als auch in der Empfindlichkeit des Fototransistors. Er unterstreicht auch die starke Abhängigkeit des Parameters vom spezifischen reflektierenden Ziel und Abstand in der Anwendung. Schaltungsentwürfe müssen diesen Bereich berücksichtigen, oft durch Verwendung eines Komparators mit einstellbarem Schwellwert, anstatt sich auf einen absoluten Stromwert zu verlassen.

F: Wie interpretiere ich die MSL-4-Einstufung?

A: MSL 4 bedeutet, dass das Gehäuse nach 72 Stunden Exposition unter Standard-Werksbedingungen schädliche Mengen an Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen kann. Um "Popcorning" oder Delamination während des Hochtemperatur-Reflow-Prozesses zu vermeiden, müssen Sie die strengen Lagerungs-, Handhabungs- und Trocknungsrichtlinien in Abschnitt 5.1 befolgen.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Papiererkennung in einem Drucker.

Der Sensor kann in der Nähe des Papiervorschubwegs montiert werden. Ein reflektierender Streifen wird auf einer Walze oder einer festen Oberfläche gegenüber der Sensorposition angebracht. Wenn kein Papier vorhanden ist, reflektiert das IR-Licht vom Streifen zurück zum Empfänger und erzeugt einen hohen Ausgang (logisch HIGH). Wenn ein Blatt Papier zwischen Sensor und Streifen hindurchläuft, blockiert oder reduziert es das reflektierte Licht signifikant, wodurch der Ausgang sinkt (logisch LOW). Dieser Übergang kann von einem Mikrocontroller erkannt werden, um Papierpräsenz zu bestätigen, Papierstaus zu erkennen oder Seiten zu zählen. Die schnelle Ansprechzeit (20 μs) ermöglicht eine Erkennung auch bei hohen Papiervorschubgeschwindigkeiten.

11. Funktionsprinzip

Das Bauteil arbeitet nach dem Prinzip der reflektierten Lichtmodulation. Die interne IR-LED emittiert einen Strahl von 940 nm Infrarotlicht. Dieses Licht breitet sich vom Gehäuse aus. Wenn sich ein reflektierendes Objekt in kurzer Reichweite und im Sichtfeld sowohl der LED als auch des Fototransistors befindet, wird ein Teil des emittierten Lichts zurückreflektiert. Der NPN-Fototransistor fungiert als lichtgesteuerte Stromquelle. Wenn die reflektierten Infrarotphotonen auf seine Basisregion treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare und erzeugen effektiv einen Basisstrom. Dieser Basisstrom wird durch die Verstärkung des Transistors verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom (I_C) führt. Die Größe dieses Kollektorstroms ist proportional zur Intensität des reflektierten Lichts, die wiederum vom Abstand zum und dem Reflexionsvermögen des Zielobjekts abhängt. Durch Überwachung von I_C(oder der Spannung über einem Lastwiderstand) kann das System die Anwesenheit oder Nähe des Objekts bestimmen.

12. Technologietrends

Reflektive optische Sensoren wie der ITR8307 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Technologie für die kurzreichweitige, kostengünstige Objekterkennung. Aktuelle Trends in diesem Bereich umfassen eine weitere Miniaturisierung der Gehäuse, um in immer kleinere Konsumgeräte zu passen, die Integration von Signalaufbereitungsschaltungen (Verstärker, Schmitt-Trigger, digitale Schnittstellen) innerhalb desselben Gehäuses, um das Systemdesign zu vereinfachen und die Störfestigkeit zu verbessern, sowie die Entwicklung von Sensoren mit noch geringerem Stromverbrauch für batteriebetriebene IoT-Geräte. Es gibt auch einen kontinuierlichen Drang zu höherer Empfindlichkeit und besserer Unterdrückung von Umgebungslicht durch verbessertes optisches Design und Filtertechniken.