ITR8102 Opto-Unterbrecher Datenblatt - Gehäuseabmessungen 4,8x4,8x3,2mm - Durchlassspannung 1,25V - Peak-Wellenlänge 940nm - Deutsche Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Der ITR8102 ist ein kompaktes Opto-Unterbrecher-Modul für berührungslose Erfassungsanwendungen. Es integriert eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED) und einen Silizium-Fototransistor, die auf konvergierenden optischen Achsen in einem schwarzen thermoplastischen Gehäuse ausgerichtet sind. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Fototransistor, unter normalen Bedingungen Strahlung von der IRED zu empfangen. Wenn ein undurchsichtiges Objekt den Lichtweg zwischen Sender und Empfänger unterbricht, leitet der Fototransistor nicht mehr, was die Objekterkennung oder Positionserfassung ermöglicht.

Zu den Hauptmerkmalen gehören eine schnelle Ansprechzeit, hohe Empfindlichkeit und die Einhaltung von Umweltstandards wie RoHS und EU REACH. Das Bauteil ist aus bleifreien Materialien gefertigt.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

2.1 Absolute Grenzwerte

Diese Grenzwerte definieren die Limits, bei deren Überschreitung dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingangsverlustleistung (Pd):75 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur.
• Eingangssperrspannung (VR):Maximal 5 V.
• Eingangsdurchlassstrom (IF):Maximal 50 mA.
• Ausgangskollektorverlustleistung (Pc):75 mW.
• Ausgangskollektorstrom (IC):Maximal 20 mA.
• Kollektor-Emitter-Spannung (BVCEO):Maximal 30 V.
• Betriebstemperatur (Topr):-25°C bis +85°C.
• Lagertemperatur (Tstg):-40°C bis +85°C.
• Löttemperatur der Anschlüsse (Tsol):260°C für weniger als 5 Sekunden, gemessen 3mm vom Gehäuse entfernt.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden bei Ta=25°C gemessen und definieren die typische Betriebsleistung.

• Durchlassspannung (VF):Typisch 1,25V, maximal 1,60V bei IF=20mA.
• Sperrstrom (IR):Maximal 10 μA bei VR=5V.
• Peak-Wellenlänge (λP):940 nm bei IF=20mA.
• Dunkelstrom (ICEO):Maximal 100 nA bei VCE=20V und Null-Bestrahlungsstärke (Ee=0 mW/cm²).
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(sat)):Maximal 0,4V bei IC=0,9mA und IF=20mA.
• Kollektorstrom (IC(ON)):Mindestens 0,9mA, typische Werte höher, bis maximal 15mA bei VCE=5V und IF=20mA.
• Anstiegs-/Abfallzeit (tr, tf):Typisch jeweils 15 μs unter spezifizierten Testbedingungen (VCE=5V, IC=1mA, RL=1kΩ).

3. Analyse der Kennlinien

3.1 Eigenschaften des IR-Emitters

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien für die Infrarot-Emitter-Komponente. DieKennlinie Durchlassstrom vs. Durchlassspannungzeigt die nichtlineare Beziehung, die für die Auslegung der strombegrenzenden Treiberschaltung wesentlich ist. DieKennlinie Durchlassstrom vs. Umgebungstemperaturveranschaulicht die notwendige Entlastung des maximal zulässigen Durchlassstroms bei steigender Umgebungstemperatur, um Überhitzung zu verhindern. DieSpektrale Verteilungbestätigt die Spitzenemission bei 940nm, die optimal für die Abstimmung auf die Empfindlichkeit des Fototransistors und die Minimierung von Störungen durch Umgebungslicht ist.

3.2 Eigenschaften des Fototransistors

Die wichtigste Kennlinie für den Fototransistor ist dasDiagramm der spektralen EmpfindlichkeitEs zeigt die Empfindlichkeit des Detektors über verschiedene Wellenlängen, mit einem Maximum im nahen Infrarotbereich um 940nm. Diese präzise spektrale Abstimmung mit der Ausgabe des IR-Emitters gewährleistet eine hohe Empfindlichkeit und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis im Erfassungssystem.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der ITR8102 ist in einem standardmäßigen 4-poligen Seitenansichtsgehäuse untergebracht. Kritische Abmessungen umfassen eine Gesamtkörpergröße von etwa 4,8mm Länge, 4,8mm Höhe und 3,2mm Breite (ohne Anschlüsse). Der Anschlussabstand beträgt 2,54mm (0,1 Zoll). Alle Abmessungen sind in Millimetern mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,3mm, sofern nicht anders angegeben. Die Anschlüsse treten aus der Unterseite des schwarzen Kunststoffgehäuses aus, das als optische Barriere dient, um Übersprechen zwischen Sender und Empfänger zu verhindern.

4.2 Polungskennzeichnung

Das Bauteil verwendet eine Standard-Pinbelegung. Bei Betrachtung des Bauteils von vorne (der Seite mit den Linsenöffnungen) sind die Pins typischerweise von links nach rechts wie folgt angeordnet: Anode der IRED, Kathode der IRED, Emitter des Fototransistors, Kollektor des Fototransistors. Es ist entscheidend, das Gehäusediagramm zur eindeutigen Identifikation zu konsultieren, um eine korrekte Schaltungsverbindung sicherzustellen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Anschlussbeinformung

Anschlüsse müssen vor dem Löten geformt werden. Das Biegen sollte in einem Abstand von mehr als 3mm von der Unterseite des Epoxid-Gehäusekörpers erfolgen, um spannungsinduzierte Risse oder Leistungsverschlechterung zu vermeiden. Der Anschlussrahmen muss während des Biegens sicher gehalten werden, um Spannung auf die Epoxid-Kapselung zu verhindern. Das Schneiden der Anschlüsse sollte bei Raumtemperatur erfolgen.

5.2 Lötprozess

Empfohlene Lötbedingungen sind entscheidend für die Zuverlässigkeit.

• Handlöten:Lötspitzentemperatur maximal 300°C (für einen 30W-Lötkolben), Lötzeit maximal 3 Sekunden pro Anschluss.
• Wellen-/Tauchlöten:Vorwärmtemperatur maximal 100°C für bis zu 60 Sekunden. Lötbad-Temperatur maximal 260°C für eine maximale Verweilzeit von 5 Sekunden.
• Kritischer Abstand:Die Lötstelle muss mindestens 3mm von der Epoxid-Kapselung entfernt sein, um thermische Schäden zu verhindern.
• Prozesslimit:Tauch- oder Handlöten sollte nicht mehr als einmal durchgeführt werden.

Ein empfohlenes Löttemperaturprofil wird bereitgestellt, das eine kontrollierte Aufheizphase, ein Plateau der Spitzentemperatur und eine kontrollierte Abkühlphase betont, um thermischen Schock zu minimieren.

5.3 Reinigung und Lagerung

Ultraschallreinigung ist verboten, da sie die internen Komponenten oder die Epoxid-Versiegelung beschädigen kann. Zur Lagerung sollten die Bauteile nach dem Versand bei 10-30°C und ≤70% relativer Luftfeuchtigkeit für bis zu 3 Monate aufbewahrt werden. Für längere Lagerung (bis zu einem Jahr) wird eine Stickstoffatmosphäre bei 10-25°C und 20-60% relativer Luftfeuchtigkeit empfohlen. Nach dem Öffnen der Feuchtigkeitsschutzbeutel sollten die Bauteile innerhalb von 24 Stunden verwendet oder umgehend wieder versiegelt werden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation ist 100 Stück pro Tube, 20 Tuben pro Karton und 4 Kartons pro Versandkarton, insgesamt 8000 Stück pro Versandkarton. Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für Kundenteilenummer (CPN), Herstellertyp (P/N), Packmenge (QTY) und Losnummer (LOT No.) zur Rückverfolgbarkeit.

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Der ITR8102 eignet sich für verschiedene berührungslose Erfassungs- und Schaltanwendungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:

• Positionserfassung in Druckern/Scannern/Kopierern:Erkennung von Papier, Schubladenposition oder Wagen-Nullposition.
• Drehgeber:Verwendung in Verbindung mit einem Schlitzrad zur Messung von Geschwindigkeit oder Position in Motoren, Lüftern oder Diskettenlaufwerken.
• Objekterkennung:Erkennung der An- oder Abwesenheit eines Objekts in Verkaufsautomaten, Industrieautomation oder Sicherheitssystemen.
• Berührungsloses Schalten:Implementierung berührungsloser Schalter in Unterhaltungselektronik oder Haushaltsgeräten.

7.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzungswiderstand:Ein externer Widerstand muss in Reihe mit der IRED-Anode geschaltet werden, um den Durchlassstrom (IF) auf den gewünschten Wert zu begrenzen (z.B. 20mA für typischen Betrieb), berechnet basierend auf der Versorgungsspannung und der Durchlassspannung (VF) der IRED.
• Vorspannung des Fototransistors:Ein Lastwiderstand (RL) wird zwischen den Kollektor des Fototransistors und die positive Versorgung geschaltet. Der Wert von RL bestimmt den Ausgangsspannungshub und die Schaltgeschwindigkeit. Ein typischer Wert ist 1kΩ.
• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Das schwarze Gehäuse und das auf 940nm abgestimmte Wellenlängenpaar bieten eine gute Unterdrückung von sichtbarem Umgebungslicht. Für Umgebungen mit hohem IR-Anteil können Modulations-/Demodulationstechniken notwendig sein.
• Blenden- und Spaltdesign:Der Erfassungsabstand und die Auflösung hängen von der Größe und Ausrichtung des Objekts ab, das den Strahl unterbricht. Die konvergierende optische Achse definiert einen spezifischen Erfassungsspalt.
• Wärmemanagement:Der Durchlassstrom muss bei höheren Umgebungstemperaturen gemäß der Entlastungskennlinie reduziert werden, um sicherzustellen, dass die Eingangsverlustleistung (Pd) die sicheren Grenzwerte nicht überschreitet.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der ITR8102 bietet einen ausgewogenen Satz an Spezifikationen für allgemeine Opto-Unterbrecher-Anwendungen. Seine Hauptunterscheidungsmerkmale sind eine relativ schnelle Ansprechzeit von 15μs für mittelschnelle Erfassung, ein hoher Mindestkollektorstrom (0,9mA) für ein starkes Ausgangssignal und ein kompaktes, industrieübliches Gehäuse. Im Vergleich zu Reflexionssensoren bieten Unterbrechermodule wie der ITR8102 eine höhere Zuverlässigkeit und Konsistenz, da sie unempfindlich gegenüber Variationen der Reflektivität des Zielobjekts sind. Die nebeneinander angeordnete Konfiguration mit einem physikalischen Spalt ist ideal für die Erkennung von Objekten, die eine bestimmte Ebene durchqueren.

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

9.1 Was ist der typische Erfassungsabstand oder -spalt?

Der Erfassungsspalt ist durch den mechanischen Abstand zwischen den Linsen von Sender und Empfänger im Gehäuse definiert. Beim ITR8102 ist dies ein fester, interner Spalt. Das Bauteil erkennt jedes undurchsichtige Objekt, das in diesen Spalt eingeführt wird und den Infrarotstrahl unterbricht. Der effektive "Erfassungsabstand" ist im Wesentlichen null, da das Objekt physisch in den Schlitz eintreten muss.

9.2 Kann ich die IRED direkt mit einer Spannungsquelle ansteuern?

Nein. Die IRED ist eine Diode mit einem dynamischen Widerstand und einem Durchlassspannungsabfall. Ein direkter Anschluss an eine Spannungsquelle, die ihre VF überschreitet, verursacht einen übermäßigen Stromfluss, der das Bauteil möglicherweise zerstört. Ein Reihen-Strombegrenzungswiderstand ist zwingend erforderlich.

9.3 Wie schließe ich den Fototransistor-Ausgang an einen Mikrocontroller an?

Der Fototransistor fungiert als lichtabhängiger Schalter. Wenn der Lastwiderstand (RL) mit VCC verbunden ist, wird der Kollektorausgang auf LOW (nahe VCE(sat)) gezogen, wenn der Strahl nicht blockiert ist (EIN-Zustand). Wenn der Strahl blockiert ist, schaltet der Transistor ab und der Kollektorausgang geht auf HIGH (auf VCC). Dieses digitale Signal kann direkt von einem digitalen Eingangspin des Mikrocontrollers gelesen werden. Für die analoge Erfassung der Lichtintensität kann die Spannung über RL mit einem ADC gemessen werden, wobei die Linearität begrenzt sein kann.

9.4 Warum ist der Lötabstand (3mm) so kritisch?

Die Epoxid-Kapselung, die die Halbleiterchips umschließt, ist empfindlich gegenüber extremen thermischen Belastungen. Löten zu nah am Gehäuse kann übermäßige Wärme übertragen, was möglicherweise das Epoxid zum Reißen bringt, die internen Bonddrähte beschädigt oder die optischen Eigenschaften der Linse verändert, was zu sofortigem Ausfall oder reduzierter Langzeitzuverlässigkeit führt.

10. Praktisches Designbeispiel

Fallbeispiel: Papier-Erschöpfungssensor in einem Desktop-Drucker

In dieser Anwendung ist der ITR8102 auf der Hauptplatine des Druckers montiert, so positioniert, dass sein Erfassungsspalt mit einem Pfad ausgerichtet ist, durch den der Papierstapel läuft. Ein mechanischer Hebel oder Fahnen, der am Papierfach befestigt ist, bewegt sich in den Spalt des Sensors, wenn das Papier aufgebraucht ist.

Schaltungsimplementierung:Die IRED wird mit einem konstanten Strom von 20mA aus der 5V-Logikversorgung des Druckers über einen 180Ω Reihenwiderstand angesteuert ((5V - 1,25V)/20mA ≈ 187Ω, Standardwert 180Ω). Der Kollektor des Fototransistors ist über einen 4,7kΩ Pull-up-Widerstand mit der 5V-Versorgung und auch mit einem GPIO-Pin des Drucker-Mikrocontrollers verbunden.

Betrieb:Wenn Papier vorhanden ist, befindet sich die Fahne außerhalb des Spalts, der Strahl ist ununterbrochen, der Fototransistor ist EIN und zieht den Kollektorausgang auf LOW. Der Mikrocontroller liest eine logische '0', was Papier vorhanden anzeigt. Wenn das Papier ausgeht, tritt die Fahne in den Spalt ein und blockiert den Strahl. Der Fototransistor schaltet AUS, wodurch der Pull-up-Widerstand den Kollektorausgang auf HIGH bringt. Der Mikrocontroller liest eine logische '1', was eine "Papier leer"-Meldung auf der Benutzeroberfläche auslöst. Die schnelle Ansprechzeit des ITR8102 gewährleistet eine sofortige Erkennung.

11. Funktionsprinzip

Der ITR8102 arbeitet nach dem Prinzip der modulierten Lichtübertragung und -detektion. Die interne Infrarot-Leuchtdiode (IRED) emittiert Photonen mit einer Spitzenwellenlänge von 940nm, wenn sie mit einem geeigneten Strom in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Diese Photonen durchqueren einen kleinen, präzise ausgerichteten Luftspalt innerhalb des Gehäuses. Der gegenüber der IRED positionierte Silizium-Fototransistor ist für diese spezifische Wellenlänge empfindlich. Wenn Photonen auf die Basisregion des Fototransistors treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare, was effektiv einen Basisstrom erzeugt, der den Transistor einschaltet und einen viel größeren Kollektorstrom fließen lässt. Dieser Kollektorstrom ist proportional zur Intensität des empfangenen Infrarotlichts. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt eintritt, blockiert es den Photonenfluss, der Basisstrom des Fototransistors sinkt auf nahezu Null (Dunkelstrom) und der Transistor schaltet ab. Dieser deutliche EIN/AUS-Zustand am Ausgang entspricht direkt der An- oder Abwesenheit eines Objekts im optischen Pfad.

12. Technologietrends

Die Opto-Unterbrecher-Technologie entwickelt sich weiter, parallel zu Fortschritten in der Optoelektronik und Fertigung. Trends umfassen die Entwicklung von Bauteilen mit noch kleineren Gehäuseabmessungen, um Miniaturisierung in Unterhaltungselektronik und Wearables zu ermöglichen. Es gibt auch Bestrebungen zu höheren Schaltgeschwindigkeiten, um schnellere Datenkodierung und Hochgeschwindigkeits-Industrieautomation zu unterstützen. Die Integration zusätzlicher Funktionen, wie eingebaute Schmitt-Trigger zur Signalaufbereitung oder strombegrenzende Widerstände, vereinfacht den Schaltungsentwurf. Darüber hinaus verbessern Fortschritte bei Formmaterialien und -prozessen die Umweltrobustheit, was einen Betrieb in einem breiteren Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich für Automobil- und Industrieanwendungen ermöglicht. Das grundlegende Prinzip bleibt robust und sichert die anhaltende Relevanz von Opto-Unterbrechern für zuverlässige, berührungslose Positions- und Objekterkennung.