ITR8104 Opto-Unterbrecher Datenblatt - 940nm Infrarot - 5V/20mA - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der ITR8104 ist ein kompaktes Opto-Unterbrecher-Modul für berührungslose Erfassungs- und Schaltanwendungen. Es integriert eine Infrarot-Emissionsdiode und einen NPN-Silizium-Fototransistor in einem einzigen, schwarzen thermoplastischen Gehäuse. Die Komponenten sind nebeneinander auf konvergierenden optischen Achsen angeordnet. Im Normalzustand empfängt der Fototransistor die von der LED emittierte Infrarotstrahlung. Wenn ein undurchsichtiges Objekt den Lichtweg zwischen Sender und Empfänger unterbricht, leitet der Fototransistor nicht mehr und liefert ein klares Schaltsignal.

Zu den wesentlichen Vorteilen dieses Bauteils zählen eine schnelle Ansprechzeit, hohe Empfindlichkeit und eine Emissionswellenlänge von 940 nm im Spitzenwert, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt, um Störungen durch Umgebungslicht zu minimieren. Das Bauteil ist aus bleifreien Materialien gefertigt und entspricht relevanten Umweltvorschriften wie RoHS und EU REACH.

2. Technische Spezifikationen im Detail

2.1 Absolute Grenzwerte

Ein Betrieb des Bauteils außerhalb dieser Grenzwerte kann zu dauerhaften Schäden führen.

• Eingang (IR-LED):
  • Verlustleistung (Pd): 75 mW (bei oder unter 25°C)
  • Sperrspannung (VR): 5 V
  • Durchlassstrom (IF): 50 mA
• Ausgang (Fototransistor):
  • Kollektorverlustleistung (Pc): 75 mW
  • Kollektorstrom (IC): 20 mA
  • Kollektor-Emitter-Spannung (BV_CEO): 30 V
  • Emitter-Kollektor-Spannung (BV_ECO): 5 V
• Thermisch:
  • Betriebstemperatur (T_opr): -25°C bis +85°C
  • Lagertemperatur (T_stg): -40°C bis +85°C
  • Lötanschlusstemperatur (T_sol): 260°C für ≤5 Sekunden (gemessen 3mm vom Gehäuse)

2.2 Elektro-optische Kenngrößen (T_a=25°C)

Diese Parameter definieren die Leistung des Bauteils unter typischen Betriebsbedingungen.

• Eingang (IR-LED) Kenngrößen:
  • Durchlassspannung (V_F): 1,2V (typ.), 1,6V (max.) bei I_F=20mA
  • Sperrstrom (I_R): 10 μA (max.) bei V_R=5V
  • Spitzenwellenlänge (λ_P): 940 nm (typ.) bei I_F=20mA
• Ausgang (Fototransistor) Kenngrößen:
  • Dunkelstrom (I_CEO): 100 nA (max.) bei V_CE=20V, E_e=0mW/cm²
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)): 0,4V (max.) bei I_C=0,5mA, I_F=20mA
  • Kollektorstrom (I_C(ON)): 0,5 mA (min.) bei V_CE=5V, I_F=20mA
  • Anstiegszeit (t_r): 20 μs (typ.) bei V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ
  • Abfallzeit (t_f): 20 μs (typ.) bei V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält mehrere für Entwicklungsingenieure wesentliche Kennlinien.

3.1 IR-LED-Kennlinien

Diagramme veranschaulichen den Zusammenhang zwischen Durchlassstrom und Umgebungstemperatur und zeigen die notwendige Entlastung bei höheren Temperaturen, um innerhalb der Leistungsgrenzen zu bleiben. Die spektrale Empfindlichkeitskurve bestätigt die Spitzenemission bei 940nm. Ein weiteres Diagramm zeigt die geringe Variation der Spitzenemissionswellenlänge mit der Umgebungstemperatur, die für die meisten Anwendungen typischerweise vernachlässigbar ist.

3.2 Fototransistor-Kennlinien

Wichtige Diagramme umfassen den Zusammenhang zwischen Kollektorstrom und Durchlassstrom (Übertragungskennlinien) bei verschiedenen Temperaturen, was die Empfindlichkeit des Bauteils hervorhebt. Das Diagramm der Kollektorverlustleistung gegenüber der Umgebungstemperatur ist entscheidend für das Wärmemanagement und zeigt, wie die maximal zulässige Leistung mit steigender Umgebungstemperatur abnimmt.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der ITR8104 ist in einem Standard-Durchsteckgehäuse erhältlich. Kritische Abmessungen umfassen den Anschlussabstand, die Gehäusebreite und die Gesamthöhe. Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,3mm angegeben, sofern nicht anders spezifiziert. Der Anschlussabstand wird an der Stelle gemessen, an der die Anschlüsse aus dem Kunststoffgehäuse austreten.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Montage

Das Bauteil hat eine Standard-Pinbelegung: die Anode und Kathode der Infrarot-LED sowie den Kollektor und Emitter des Fototransistors. Das Gehäuse ist typischerweise markiert oder geformt, um Pin 1 anzuzeigen. Bei der Montage auf einer Leiterplatte müssen die Löcher präzise mit den Anschlusspositionen ausgerichtet sein, um mechanische Belastung des Epoxidharzkörpers zu vermeiden, was die Leistung beeinträchtigen oder zu einem Ausfall führen kann.

5. Löt- und Bestückungsrichtlinien

5.1 Anschlussbeinformung

• Das Biegen muss in einem Abstand von mehr als 3 mm von der Unterseite des Epoxidharzkörpers durchgeführt werden.
• Die Anschlussbeinformung mussvordem Lötprozess abgeschlossen sein.
• Der Anschlussrahmen muss während des Biegens sicher gehalten werden, um Belastungen des Gehäuses zu verhindern.
• Das Schneiden der Anschlüsse sollte bei Raumtemperatur erfolgen.

5.2 Lötempfehlungen

Um thermische Schäden zu vermeiden, halten Sie einen Mindestabstand von 3 mm zwischen der Lötstelle und der Epoxidharzkugel ein.

• Handlöten:Lötspitzentemperatur: max. 300°C (max. 30W). Lötzeit: max. 3 Sekunden pro Anschluss.
• Wellen-/Tauchlöten:Vorwärmtemperatur: max. 100°C (max. 60 Sek.). Lötbad-Temperatur: max. 260°C. Verweilzeit: max. 5 Sekunden.
• Vermeiden Sie nach dem Löten eine schnelle Abkühlung. Lassen Sie das Bauteil allmählich auf Raumtemperatur abkühlen.
• Tauch- oder Handlöten sollte nicht mehr als einmal durchgeführt werden.

5.3 Empfohlenes Lötprofil

Das Profil empfiehlt ein schrittweises Vorheizen, eine kontrollierte Zeit über der Liquidustemperatur (typischerweise 260°C) und eine kontrollierte Abkühlrate, um den thermischen Schock für das Bauteil zu minimieren.

6. Lagerung und Handhabung

• Erstlagerung (nach Versand):10–30°C, ≤70 % r.F. für bis zu 3 Monate.
• Langzeitlagerung (über 3 Monate hinaus):10–25°C, 20–60 % r.F. in einem versiegelten Behälter mit Stickstoffatmosphäre für bis zu einem Jahr.
• Nach dem Öffnen der Verpackung:Bei 10–25°C, 20–60 % r.F. lagern. Innerhalb von 24 Stunden oder so bald wie möglich verwenden. Nicht verwendete Bauteile umgehend wieder versiegeln.
• Vermeiden Sie schnelle Temperaturwechsel in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, um Kondensation zu verhindern.
• Reinigung:Ultraschallreinigung istnichtfür dieses Bauteil empfohlen.

7. Verpackung und Bestellinformationen

7.1 Verpackungsspezifikation

Die Standardverpackung ist: 100 Stück pro Tube, 20 Tuben pro Karton und 4 Kartons pro Versandkarton.

7.2 Etiketteninformationen

Das Produktetikett enthält Felder für: Kundeneigene Artikelnummer (CPN), Artikelnummer (P/N), Packmenge (QTY), Lichtstärkeklasse (CAT), Hauptwellenlängenklasse (HUE), Durchlassspannungsklasse (REF), Losnummer (LOT No.) und einen Datums-/Monatscode (X).

8. Anwendungsvorschläge

8.1 Typische Anwendungsszenarien

• Positions-/Geschwindigkeitserfassung:In Computermäusen, Kopierern und Diskettenlaufwerken zur Erkennung von Dreh- oder Linearbewegungen.
• Berührungsloses Schalten:Objekterkennung in Verkaufsautomaten, Sicherheitssystemen und der industriellen Automatisierung.
• Kantenerkennung:In Druckern und Scannern zur Erkennung von Papier oder Medienkanten.
• Direkte Leiterplattenmontage:Geeignet für Durchsteckplatinenanwendungen, bei denen zuverlässiges, isoliertes Schalten erforderlich ist.

8.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Verwenden Sie stets einen Vorwiderstand in Reihe mit der IR-LED, um den Durchlassstrom (I_F) auf den gewünschten Wert zu begrenzen, typischerweise 20 mA oder weniger für langfristige Zuverlässigkeit.
• Lastwiderstand:Ein Pull-up-Widerstand wird typischerweise zwischen den Kollektor des Fototransistors und die Versorgungsspannung (V_CC) geschaltet. Sein Wert (z.B. 1kΩ) beeinflusst den Ausgangsspannungshub und die Schaltgeschwindigkeit.
• Umgebungslicht:Obwohl der 940nm-Filter hilft, verbessert die Konstruktion einer physischen Barriere oder eines Gehäuses, das den Sensor vor direkten Umgebungs-IR-Quellen (wie Sonnenlicht oder Glühlampen) abschirmt, die Zuverlässigkeit.
• Ansprechzeit:Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen sollten die typischen Anstiegs-/Abfallzeiten von 20 μs berücksichtigt und sichergestellt werden, dass die Treiberschaltung diese bewältigen kann.
• Wärmemanagement:Halten Sie sich an die Leistungsentlastungskurven, insbesondere in Umgebungen mit hoher Umgebungstemperatur.

9. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der ITR8104 bietet eine ausgewogene Kombination von Eigenschaften. Seine Wellenlänge von 940 nm bietet eine gute Immunität gegen sichtbares Lichtrauschen. Das nebeneinander angeordnete, konvergierende Achsendesign bietet einen klar definierten Erfassungsspalt, was es für die Kantenerkennung und präzise Objektpositionierung geeignet macht. Die schnelle Ansprechzeit von 20 μs ermöglicht den Einsatz in Anwendungen mit moderater Geschwindigkeit wie Zähl- oder Kodieranwendungen. Das Durchsteckgehäuse bietet eine robuste mechanische Befestigung für Anwendungen, die Vibrationen ausgesetzt sind. Im Vergleich zu Reflektionssensoren bieten Unterbrecher ein eindeutigeres Ein-/Aus-Signal, da sie nicht von der Reflektivität des Zielobjekts beeinflusst werden.

10. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

10.1 Was ist der typische Betriebsstrom für die IR-LED?

Die elektro-optischen Kenngrößen sind bei I_F= 20 mA spezifiziert, was ein üblicher und zuverlässiger Arbeitspunkt ist. Er kann bis zum absoluten Maximum von 50 mA betrieben werden, um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen, dies erfordert jedoch ein sorgfältiges Wärmemanagement und kann die langfristige Zuverlässigkeit verringern.

10.2 Wie empfindlich ist der Fototransistor?

Der Schlüsselparameter ist I_C(ON), der garantiert mindestens 0,5 mA beträgt, wenn die IR-LED mit 20 mA betrieben wird und V_CE=5V anliegt. Dies liefert ein solides Signal für digitale Schaltschnittstellen mit einem geeigneten Pull-up-Widerstand.

10.3 Kann ich diesen Sensor zur Erfassung transparenter Objekte verwenden?

Nein. Der ITR8104 ist für die Erkennung undurchsichtiger Objekte konzipiert, die den Infrarotstrahl vollständig unterbrechen. Transparente oder durchscheinende Materialien können genügend IR-Licht durchlassen, um zu verhindern, dass der Fototransistor vollständig abschaltet.

10.4 Welcher Abstand zwischen Sender und Empfänger wird für ein Objekt empfohlen?

Das Datenblatt gibt keinen maximalen Abstand an. Der effektive Abstand wird durch die Ausrichtung und die Intensität der IR-LED bestimmt. Für einen zuverlässigen Betrieb sollte das Objekt den konvergierenden optischen Pfad zwischen den beiden Elementen vollständig ausfüllen. Der typische Erfassungsabstand beträgt einige Millimeter und ist durch das mechanische Gehäuse definiert.

11. Praktischer Design- und Anwendungsfall

Fall: Papierstauerkennung in einem Drucker
Ein ITR8104 ist quer zum Papierweg montiert. Ein Mikrocontroller-Pin treibt die IR-LED über einen 150-Ω-Widerstand an (begrenzt I_Fauf ~20 mA bei 3,3 V). Der Kollektor des Fototransistors ist über einen 4,7-kΩ-Pull-up-Widerstand an den digitalen Eingangspin des Mikrocontrollers an 3,3 V angeschlossen. Im Zustand "Papier vorhanden" blockiert das Papier den Strahl, der Fototransistor ist ausgeschaltet, und der Eingangspin liest HIGH über den Pull-up. Wenn der Papierweg frei ist, erreicht das IR-Licht den Fototransistor, schaltet ihn ein und zieht den Eingangspin auf LOW. Der Mikrocontroller überwacht diesen Pin. Ein anhaltender HIGH-Zustand, wenn Papier erwartet wird, deutet auf einen Stau oder Fehlzuführung hin. Die schnelle Ansprechzeit stellt sicher, dass der Stau schnell erkannt wird, und die 940-nm-Wellenlänge verhindert Fehlauslösungen durch Raumbeleuchtung.

12. Funktionsprinzip

Der ITR8104 arbeitet nach dem Prinzip der modulierten Lichterkennung. Eine Infrarot-LED emittiert Photonen mit einer Wellenlänge von 940 nm. Ein gegenüber der LED positionierter Silizium-Fototransistor fungiert als Empfänger. Wenn Photonen mit ausreichender Energie auf den Basisbereich des Fototransistors treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Dieser photogenerierte Strom wirkt als Basisstrom und veranlasst den Transistor, einen viel größeren Kollektorstrom zu leiten (photoelektrischer Effekt kombiniert mit Transistorverstärkung). Die Anwesenheit eines undurchsichtigen Objekts im Lichtweg verhindert, dass Photonen den Fototransistor erreichen, wodurch der Basisstrom entfällt und der Transistor abschaltet. Dies erzeugt ein digitales Ausgangssignal, das mit der An- oder Abwesenheit des Objekts korreliert.

13. Technologietrends

Opto-Unterbrecher bleiben grundlegende Komponenten in elektromechanischen Systemen. Aktuelle Trends konzentrieren sich auf Miniaturisierung (kleinere SMD-Gehäuse), Integration zusätzlicher Signalaufbereitungsschaltungen (wie Schmitt-Trigger oder Verstärker) innerhalb des Gehäuses, um ein saubereres digitales Ausgangssignal zu liefern, und verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungsverschmutzungen. Es gibt auch einen Trend zu Hochgeschwindigkeitsvarianten für fortschrittliche Kodieranwendungen. Das Kernprinzip der optischen Unterbrechung bleibt aufgrund seiner elektrischen Isolation, seiner berührungslosen Natur und seiner Zuverlässigkeit im Vergleich zu rein mechanischen Schaltern robust.