ITR9909 Opto-Interrupter Datenblatt - Gehäuse 4,0mm - Wellenlänge 940nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der ITR9909 ist ein kompaktes Opto-Interrupter-Modul für berührungslose Erfassungsanwendungen. Es integriert eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED) und einen Silizium-NPN-Fototransistor in einem einzigen schwarzen thermoplastischen Gehäuse. Die Komponenten sind nebeneinander auf konvergierenden optischen Achsen positioniert. Das grundlegende Funktionsprinzip besteht darin, dass der Fototransistor normalerweise Strahlung vom benachbarten IR-Emitter empfängt. Wenn ein undurchsichtiges Objekt den Spalt zwischen ihnen durchquert, unterbricht es diesen Infrarotstrahl, was eine erkennbare Änderung im Ausgangszustand des Fototransistors verursacht und so Objekterkennung, Positionserfassung oder Schaltfunktionen ermöglicht.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

• Schnelle Ansprechzeit:Ermöglicht die Erkennung sich schnell bewegender Objekte.
• Hohe Empfindlichkeit:Der Silizium-Fototransistor liefert ein starkes elektrisches Signal auf Infrarotlicht.
• Spezifische Wellenlänge:Die IRED emittiert mit einer Spitzenwellenlänge (λp) von 940nm, die für das menschliche Auge unsichtbar ist und hilft, Störungen durch Umgebungslicht zu minimieren.
• Umweltkonformität:Das Bauteil ist bleifrei gefertigt und entspricht den RoHS-, EU-REACH- und halogenfreien Standards (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm).
• Kompakte Integration:Das kombinierte Gehäuse vereinfacht das Leiterplattendesign und die Montage für spaltförmige Erfassungsanwendungen.

1.2 Zielanwendungen

Der ITR9909 eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, die zuverlässige, berührungslose Erkennung erfordern:

• Drehgeber und Positionssensoren in Computermäusen und Kopierern.
• Papiererkennung und Kantenerfassung in Scannern und Druckern.
• Datenträgererkennung in Diskettenlaufwerken und anderen Medienlaufwerken.
• Allgemeine berührungslose Schalter.
• Leiterplattenmontierte Erfassung, wo direkte Montage erforderlich ist.

2. Technische Spezifikationen und Detaillierte Analyse

2.1 Absolute Maximalwerte

Ein Betrieb des Bauteils über diese Grenzwerte hinaus kann dauerhafte Schäden verursachen. Alle Spezifikationen gelten bei Ta=25°C, sofern nicht anders angegeben.

• Eingang (IRED):
  • Verlustleistung (Pd): 75 mW
  • Sperrspannung (VR): 5 V
  • Dauer-Durchlassstrom (IF): 50 mA
  • Spitzen-Durchlassstrom (IFP): 1 A (Pulsbreite ≤100μs, Tastverhältnis 1%)
• Ausgang (Fototransistor):
  • Kollektor-Verlustleistung (Pd): 75 mW
  • Kollektorstrom (IC): 50 mA
  • Kollektor-Emitter-Spannung (BV_CEO): 30 V
  • Emitter-Kollektor-Spannung (BV_ECO): 5 V
• Umgebung:
  • Betriebstemperatur (T_opr): -25°C bis +85°C
  • Lagertemperatur (T_stg): -40°C bis +85°C
  • Lötstellentemperatur (T_sol): 260°C für 5 Sekunden (1/16 Zoll vom Gehäuse)

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Typische Leistungsparameter bei Ta=25°C definieren das Betriebsverhalten des Bauteils.

• Eingang (IRED) Eigenschaften:
  • Durchlassspannung (V_F): Typisch 1,2V bei IF=20mA (Max. 1,5V). Steigt mit höheren Pulsströmen.
  • Spitzenwellenlänge (λ_P): 940 nm (typisch) bei Ansteuerung mit 20mA.
• Ausgang (Fototransistor) Eigenschaften:
  • Dunkelstrom (I_CEO): Maximal 100 nA bei V_CE=20V in völliger Dunkelheit. Dies ist der Leckstrom, der das Rauschgrundrauschen des \"Aus\"-Zustands definiert.
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)): Maximal 0,4V bei I_C=2mA unter ausreichender Beleuchtung (1mW/cm²). Ein niedriger V_CE(sat)ist für sauberes digitales Schalten wünschenswert.
  • Kollektorstrom (I_C(ON)): Mindestens 200 µA bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dies ist der garantierte minimale Fotostrom unter Standardtestbedingungen.
• Dynamische Eigenschaften:
  • Anstiegszeit (t_r) & Abfallzeit (t_f): Typisch jeweils 15 µs. Diese Parameter, gemessen unter spezifischen Lastbedingungen (V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ), bestimmen die maximale Schaltfrequenz, die das Bauteil zuverlässig verarbeiten kann.

3. Analyse der Leistungskurven

Das Datenblatt enthält mehrere Diagramme, die wichtige Zusammenhänge zwischen Betriebsparametern veranschaulichen. Diese Kurven sind wesentlich, um das Bauteilverhalten unter nicht standardmäßigen Bedingungen zu verstehen.

3.1 Infrarot-Emitter (IRED) Kurven

• Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur:Zeigt die Reduzierung des maximal zulässigen Durchlassstroms bei steigender Umgebungstemperatur über 25°C.
• Spektrale Empfindlichkeit:Eine Darstellung der relativen Strahlungsintensität gegenüber der Wellenlänge, mit einem Maximum bei 940nm und der schmalen Bandbreite des Emitters.
• Relative Strahlungsintensität vs. Durchlassstrom:Zeigt den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Treiberstrom und Lichtausgang, der bei höheren Strömen zur Sättigung neigt.
• Relative Strahlungsintensität vs. Winkelversatz:Veranschaulicht das Emissionsmuster oder den Abstrahlwinkel der IRED, entscheidend für die optische Ausrichtung.

3.2 Fototransistor (PT) Kurven

• Kollektor-Verlustleistung vs. Umgebungstemperatur:Liefert die Leistungsreduzierungskurve für den Fototransistor-Ausgang.
• Spektrale Empfindlichkeit:Zeigt die Empfindlichkeit des Fototransistors über Wellenlängen, mit einer Spitzenempfindlichkeit typischerweise im nahen Infrarotbereich, passend zum 940nm-Emitter.
• Relativer Kollektorstrom vs. Umgebungstemperatur:Zeigt, wie die Verstärkung oder Empfindlichkeit des Fototransistors sich mit der Temperatur ändert.
• Kollektorstrom vs. Bestrahlungsstärke:Eine grundlegende Kurve, die den linearen (oder nahezu linearen) Zusammenhang zwischen einfallender Lichtleistung (Bestrahlungsstärke) auf den Fototransistor und dem resultierenden Kollektorstrom zeigt.
• Kollektor-Dunkelstrom vs. Umgebungstemperatur:Zeigt, wie der Leckstrom (I_CEO) exponentiell mit steigender Temperatur zunimmt, was das Signal-Rausch-Verhältnis in Hochtemperaturanwendungen beeinflussen kann.
• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung:Ähnlich einer Transistor-Ausgangskennlinie, zeigt die Betriebsbereiche für verschiedene Beleuchtungsstärken.

3.3 Komplettes Modul (ITR) Kurve

• Relativer Kollektorstrom vs. Abstand zwischen Sensor:Dies ist eine kritische System-Level-Kurve. Sie zeigt, wie das empfangene Signal (Kollektorstrom) variiert, wenn sich der Abstand zwischen dem unterbrechenden Objekt und dem Sensorspalt ändert. Sie definiert den effektiven Erfassungsbereich und die Beziehung zwischen Objektposition und Ausgangssignalstärke.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der ITR9909 ist in einem Standard-Durchsteckgehäuse erhältlich. Wichtige Abmessungen aus der Zeichnung sind:

• Gesamtgehäusebreite und -höhe, die die Schlitzgröße definieren.
• Anschlussabstand und -durchmesser für die Leiterplattenmontage.
• Die Spaltbreite zwischen der internen IRED und dem Fototransistor, die die Größe des zu erkennenden Objekts bestimmt.
• Die Maßzeichnung gibt eine Standardtoleranz von ±0,25mm an, sofern nicht anders vermerkt.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Das Bauteil verwendet eine Standard-Pinbelegung, die bei vielen Opto-Interrupters üblich ist: Anode und Kathode für den IRED-Eingang sowie Kollektor und Emitter für den Fototransistor-Ausgang. Das Gehäuse hat typischerweise eine Markierung oder eine Kerbe, um Pin 1 anzuzeigen.

5. Montage- und Handhabungsrichtlinien

5.1 Lötempfehlungen

Der absolute Maximalwert gibt an, dass die Anschlüsse bei 260°C maximal 5 Sekunden gelötet werden können, mit der Maßgabe, dass der Lötpunkt mindestens 1/16 Zoll (ca. 1,6mm) vom Kunststoffgehäuse entfernt ist. Dies dient dazu, thermische Schäden am Epoxidgehäuse und den internen Bonddrähten zu verhindern. Für Wellen- oder Reflow-Lötung sollten Standardprofile für Durchsteckbauteile mit ähnlichen thermischen Grenzwerten befolgt werden.

5.2 Lagerung und Handhabung

Das Bauteil sollte innerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs von -40°C bis +85°C in einer trockenen Umgebung gelagert werden. Während der Handhabung sollten Standard-ESD-Vorsichtsmaßnahmen (Elektrostatische Entladung) beachtet werden, da die internen Halbleiterkomponenten anfällig für Schäden durch statische Elektrizität sind.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Verpackungsspezifikation

Die Standardverpackungsmenge ist wie folgt:

• 150 Stück pro Beutel.
• 5 Beutel pro Karton.
• 10 Kartons pro Versandkarton.

6.2 Etiketteninformationen

Das Produktetikett enthält mehrere Codes für Rückverfolgbarkeit und Spezifikation:

• CPN:Kundenspezifische Artikelnummer.
• P/N:Hersteller-Artikelnummer (z.B. ITR9909).
• QTY:Menge in der Verpackung.
• CAT, HUE, REF:Diese beziehen sich wahrscheinlich auf interne Binning-Codes für Parameter wie Lichtstärke-Klasse, dominante Wellenlängen-Klasse und Durchlassspannungs-Klasse, obwohl spezifische Binning-Details in diesem Datenblattauszug nicht bereitgestellt werden.
• LOT No:Fertigungslosnummer für die Rückverfolgbarkeit.

7. Anwendungsdesign-Überlegungen

7.1 Schaltungsdesign

Das Design mit dem ITR9909 umfasst zwei Hauptschaltungen:

1. IRED-Treiberschaltung:Ein einfacher Vorwiderstand in Reihe mit der IRED ist Standard. Der Widerstandswert wird berechnet als R = (V_CC- V_F) / I_F. Für zuverlässigen Betrieb und lange Lebensdauer wird empfohlen, die IRED bei oder unter dem typischen Wert von 20mA zu betreiben, es sei denn, ein gepulster Hochstromantrieb ist für spezifische Signal-Rausch-Anforderungen erforderlich.
2. Fototransistor-Ausgangsschaltung:Der Fototransistor kann in zwei gängigen Konfigurationen verwendet werden:
   • Schaltmodus (Digitaler Ausgang):Schließen Sie einen Pull-up-Widerstand vom Kollektor an V_CC an. Der Emitter ist geerdet. Wenn Licht auf den Transistor fällt, schaltet er ein und zieht die Kollektorspannung niedrig (nahe V_CE(sat)). Wenn der Strahl unterbrochen wird, schaltet der Transistor aus, und der Pull-up-Widerstand bringt die Kollektorspannung hoch. Der Wert des Pull-up-Widerstands bestimmt die Schaltgeschwindigkeit und den Stromverbrauch.
   • Linearer Modus (Analoger Ausgang):Bei Verwendung des Fototransistors in einer Emitterschaltung mit einem Kollektorwiderstand variiert die Spannung am Kollektor annähernd linear mit der Menge des empfangenen Lichts, was für analoge Positionserfassung nützlich ist.

7.2 Optische Überlegungen

• Ausrichtung:Eine präzise mechanische Ausrichtung des Objektwegs mit dem Sensorspalt ist für einen konsistenten Betrieb entscheidend.
• Umgebungslicht:Während der 940nm-Filter und der abgestimmte Sensor eine gute Unterdrückung von sichtbarem Licht bieten, können starke Infrarotlichtquellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) Störungen verursachen. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals und synchrone Detektion können die Störfestigkeit gegenüber Umgebungslicht erheblich verbessern.
• Objekteigenschaften:Der Sensor erkennt die Unterbrechung des Strahls. Das Objekt muss für 940nm Infrarotlicht undurchsichtig sein. Durchscheinende Materialien können möglicherweise nicht zuverlässig erkannt werden.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der ITR9909 stellt eine standardmäßige, zuverlässige Lösung auf dem Opto-Interrupter-Markt dar. Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind die spezifische Kombination einer 940nm IRED mit einem Silizium-Fototransistor in einem kompakten, seitlich blickenden Gehäuse. Im Vergleich zu Reflexionssensoren liefern Interrupter ein eindeutigeres \"Ein/Aus\"-Signal, da sie weniger anfällig für Schwankungen in der Objektreflexion oder -farbe sind. Die spezifizierte schnelle Ansprechzeit (typ. 15µs) macht ihn für Geschwindigkeitserfassung oder Codieranwendungen geeignet, während die hohe Empfindlichkeit auch bei niedrigeren Treiberströmen oder in staubigen Umgebungen ein gutes Signal gewährleistet. Die Umweltkonformität (RoHS, halogenfrei) ist ein kritischer Faktor für die moderne Elektronikfertigung.

9. Häufig gestellte Fragen (Basierend auf technischen Parametern)

9.1 Was ist die maximale Erfassungsgeschwindigkeit oder -frequenz?

Die maximale Schaltfrequenz ist durch die Anstiegs- und Abfallzeiten (t_r, t_f) begrenzt, typisch jeweils 15µs. Eine konservative Schätzung für einen kompletten Ein-Aus-Zyklus ist etwa das 4- bis 5-fache der Summe dieser Zeiten, was auf eine maximale praktische Frequenz im Bereich von 10-15 kHz hindeutet. Dies ist für die meisten mechanischen Codieranwendungen geeignet.

9.2 Wie wähle ich den Wert für den IRED-Vorwiderstand?

Verwenden Sie die Formel R = (Versorgungsspannung - V_F) / I_F. Für eine 5V-Versorgung und Betrieb unter der typischen Testbedingung von 20mA, mit V_F~1,2V, R = (5 - 1,2) / 0,02 = 190 Ohm. Ein Standard-180- oder 200-Ohm-Widerstand wäre geeignet. Stellen Sie immer sicher, dass die berechnete Verlustleistung im Widerstand innerhalb seiner Nennleistung liegt.

9.3 Warum ist das Ausgangssignal instabil oder verrauscht?

Mögliche Ursachen sind: 1) Unzureichender Treiberstrom zur IRED, was zu einem schwachen Signal führt. 2) Hohe Pegel von Umgebungs-Infrarotlicht. 3) Der Dunkelstrom des Fototransistors (der mit der Temperatur zunimmt) wird im Verhältnis zum Fotostrom signifikant. 4) Elektrisches Rauschen auf den Versorgungsleitungen. Lösungen umfassen die Erhöhung von I_F(innerhalb der Grenzwerte), das Hinzufügen einer optischen Abschirmung, die Implementierung von Signalmodulation, die Verwendung eines Pull-up-Widerstands mit niedrigerem Wert für schnellere Reaktion und die Sicherstellung einer guten Versorgungsentkopplung.

9.4 Kann ich diesen Sensor im Freien verwenden?

Direktes Sonnenlicht enthält eine erhebliche Menge an Infrarotstrahlung bei 940nm, die den Fototransistor sättigen und einen ordnungsgemäßen Betrieb verhindern kann. Für den Außeneinsatz werden eine sorgfältige optische Filterung, ein Gehäusedesign zum Blockieren von direktem Sonnenlicht und die Verwendung modulierter IR-Signale dringend empfohlen.

10. Funktionsprinzip und Technologietrends

10.1 Funktionsprinzip

Der ITR9909 arbeitet nach dem Prinzip der unterbrochenen Lichtübertragung. Ein durch die Infrarot-Leuchtdiode (IRED) fließender Strom veranlasst sie, Photonen mit einer Spitzenwellenlänge von 940 Nanometern zu emittieren. Diese Photonen durchqueren einen kleinen Luftspalt und treffen auf die Basisregion des NPN-Silizium-Fototransistors. Die Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der Basis-Kollektor-Sperrschicht, die effektiv als Fotodiode wirkt. Dieser Fotostrom wird dann durch die Transistorwirkung des Bauteils verstärkt, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt, der leicht von externen Schaltungen gemessen werden kann. Wenn ein Objekt den Weg zwischen Emitter und Detektor physisch blockiert, hört der Photonenfluss auf, der Fotostrom sinkt auf nahezu Null und der Transistor schaltet aus, was die Anwesenheit des Objekts signalisiert.

10.2 Technologiekontext und Trends

Opto-Interrupter wie der ITR9909 sind ausgereifte, gut verstandene Komponenten. Aktuelle Trends in diesem Bereich konzentrieren sich auf mehrere Bereiche:

• Miniaturisierung:Entwicklung kleinerer Oberflächenmontage (SMD)-Gehäuse, um Leiterplattenplatz in moderner Unterhaltungselektronik zu sparen.
• Integration:Einbau zusätzlicher Schaltungen auf dem Chip, wie z.B. Schmitt-Trigger für digitalen Ausgang, Verstärker für analogen Ausgang oder sogar vollständige Logikpegel-Schnittstellen (z.B. Open-Drain-Ausgang).
• Verbesserte Leistung:Erhöhung der Geschwindigkeit für höher auflösende Encoder, Reduzierung des Stromverbrauchs für batteriebetriebene Geräte und Erhöhung der Empfindlichkeit, um kleinere Treiberströme oder größere Erfassungsspalte zu ermöglichen.
• Spezialisierung:Entwicklung von Varianten mit unterschiedlichen Schlitzbreiten, Blendenformen oder spektralen Antworten für spezifische Marktsegmente wie Automobil, Industrieautomatisierung oder Medizingeräte.

Das grundlegende Prinzip der optischen Unterbrechung bleibt eine robuste und kostengünstige Methode für die berührungslose Erfassung und gewährleistet damit fortgesetzte Relevanz in einer Vielzahl von elektromechanischen Systemen.