ITR20403 Opto-Unterbrecher Datenblatt - Gehäuse 4,0x3,0x2,0mm - Durchlassspannung 1,6V - Verlustleistung 75mW - Infrarot 940nm - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der ITR20403 ist ein kompaktes Opto-Unterbrecher-Modul für berührungslose Erfassungsanwendungen. Es integriert eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED) und einen Silizium-Fototransistor in einem einzigen, kleinformatigen schwarzen Thermoplastgehäuse. Die Hauptfunktion des Bauteils ist die Erkennung der Unterbrechung eines Infrarot-Lichtstrahls zwischen seinen Emitter- und Empfängerkomponenten.

1.1 Kernvorteile und Zielmarkt

Das Bauteil bietet mehrere Schlüsselvorteile, die es für Präzisionsanwendungen geeignet machen. Seine schnelle Ansprechzeit und hohe Empfindlichkeit ermöglichen eine zuverlässige Erkennung schneller Objektbewegungen. Das dünne und kleine Gehäuse erleichtert die Integration in platzbeschränkte Designs, wie sie häufig in Unterhaltungselektronik und Büroautomationsgeräten zu finden sind. Ein bedeutendes technisches Merkmal ist das Gehäusedesign, das es dem Fototransistor ermöglicht, Strahlung hauptsächlich von der integrierten IRED zu empfangen, wodurch Störungen und Rauschen durch Umgebungslichtquellen minimiert werden. Die primären Zielmärkte umfassen Bildgebungsgeräte, Dokumentenhandhabungssysteme und verschiedene Automatisierungssteuerungen, die eine genaue Positions- oder Präsenzerkennung erfordern.

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der elektrischen, optischen und thermischen Spezifikationen des Bauteils, wie im Datenblatt definiert.

2.1 Absolute Maximalwerte

Die absoluten Maximalwerte definieren die Belastungsgrenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Dies sind keine empfohlenen Betriebsbedingungen.

• Eingangs- (IRED) Verlustleistung (Pd):Maximal 75 mW bei oder unter 25°C freier Lufttemperatur. Das Überschreiten dieses Grenzwerts riskiert thermische Schäden am LED-Chip.
• Eingangssperrspannung (VR):Maximal 5 V. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann zum Durchbruch des Übergangs führen.
• Dauer-Durchlassstrom (IF):Maximal 50 mA. Dies ist der höchste Gleichstrom, den die IRED aushalten kann.
• Ausgangs- (Fototransistor) Verlustleistung (Pd):Maximal 75 mW bei oder unter 25°C.
• Kollektorstrom (IC):Maximal 20 mA für den Fototransistor-Ausgang.
• Kollektor-Emitter-Spannung (BV_CEO):Maximal 30 V. Dies ist die Durchbruchsspannung bei offener Basis.
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +80°C. Die Funktionsfähigkeit des Bauteils ist innerhalb dieses Umgebungstemperaturbereichs garantiert.
• Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +85°C.
• Lötanschlusstemperatur (T_sol):Maximal 260°C für 5 Sekunden, gemessen 3 mm vom Gehäusekörper entfernt. Dies ist entscheidend für die Prozesskontrolle bei der Montage.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden unter Standardtestbedingungen (Ta=25°C) gemessen und repräsentieren die typische Bauteilleistung.

• Durchlassspannung (V_F):Typisch 1,23V, maximal 1,6V bei I_F=20mA. Dieser Parameter ist wesentlich für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung für die IRED.
• Spitzenwellenlänge (λ_P):940 nm. Dies ist die Nennwellenlänge des emittierten Infrarotlichts, die mit der Spitzenempfindlichkeit des empfangenden Fototransistors übereinstimmt.
• Kollektor-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=20V ohne Beleuchtung. Dieser Leckstrom bestimmt das Grundrauschen des Sensors im "AUS"-Zustand.
• Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Maximal 0,4V bei I_C=2mA und einer Bestrahlungsstärke (E_e) von 1 mW/cm². Eine niedrige Sättigungsspannung ist für digitale Schaltanwendungen wünschenswert.
• Kollektorstrom im eingeschalteten Zustand (I_C(on)):Reicht von mindestens 0,2 mA bis maximal 5,0 mA unter den Testbedingungen V_CE=5V und I_F=20mA. Dieser große Bereich zeigt die Schwankung der Stromübertragungsrate (CTR) zwischen den Bauteilen an, die im Schaltungsentwurf berücksichtigt werden muss.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r, t_f):Typisch jeweils 15 µs unter spezifizierten Schaltbedingungen. Dies definiert die maximal erreichbare Schaltfrequenz für das Bauteil.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kennlinien, die Einblicke in das Bauteilverhalten unter variierenden Bedingungen geben.

3.1 Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur

Diese Kurve veranschaulicht die notwendige Reduzierung des Durchlassstroms der IRED mit steigender Umgebungstemperatur. Um das Überschreiten der maximalen Sperrschichttemperatur zu verhindern und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten, muss der Betriebsstrom in Hochtemperaturumgebungen reduziert werden. Entwickler müssen dieses Diagramm konsultieren, um den sicheren Betriebsstrom für die maximale Umgebungstemperatur ihrer spezifischen Anwendung zu bestimmen.

3.2 Spektrale Empfindlichkeit

Es werden separate spektrale Empfindlichkeitskurven sowohl für den IR-Emitter als auch für den Fototransistor bereitgestellt. Die IRED-Kurve zeigt die relative Strahlungsintensität gegenüber der Wellenlänge mit einem Maximum bei 940 nm. Die Fototransistor-Kurve zeigt seine relative Reaktion gegenüber der einfallenden Lichtwellenlänge, wobei das Maximum auf die Ausgabe des Emitters abgestimmt ist. Die schmale, abgestimmte Reaktion minimiert die Empfindlichkeit gegenüber sichtbarem Umgebungslicht, ein Schlüsselmerkmal für stabilen Betrieb unter variierenden Lichtverhältnissen.

3.3 Durchlassstrom vs. Durchlassspannung

Diese IV-Kurve für die IRED zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Durchlassspannung und Strom. Sie ist entscheidend für die Auswahl eines geeigneten Strombegrenzungsschemas (z.B. Widerstand, Konstantstromquelle), um eine stabile IR-Ausgabe über den Betriebstemperaturbereich und über Produktionsschwankungen hinweg sicherzustellen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Das Bauteil ist in einem kompakten Gehäuse untergebracht. Wichtige Abmessungen umfassen eine Gehäusebreite von ca. 4,0 mm, eine Tiefe von 3,0 mm und eine Höhe von 2,0 mm. Der Anschlussabstand beträgt 2,54 mm (0,1 Zoll), was eine Standardteilung für die Durchsteckmontage auf Leiterplatten ist. Alle Maßtoleranzen sind ±0,25 mm, sofern nicht anders angegeben. Die Anschlüsse werden dort gemessen, wo sie aus dem Gehäusekörper austreten.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Montage

Das Bauteil hat vier Anschlüsse. Die Standardkonvention für solche Opto-Unterbrecher ist, dass die beiden Anschlüsse auf einer Seite zum Infrarot-Emitter (Anode und Kathode) gehören und die beiden auf der gegenüberliegenden Seite zum Fototransistor (Emitter und Kollektor). Der genaue Pinbelegung muss aus dem Gehäusediagramm überprüft werden. Bei der Montage müssen die Leiterplattenlöcher präzise mit den Anschlusspositionen ausgerichtet sein, um mechanische Belastung des Epoxidkörpers beim Einsetzen zu vermeiden, was die Leistung beeinträchtigen oder zu Ausfällen führen kann.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Eine ordnungsgemäße Handhabung ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Bauteilintegrität und -leistung.

5.1 Anschlussbeinformung

Wenn ein Biegen der Anschlüsse erforderlich ist, muss diesvordem Löten erfolgen. Die Biegung sollte in einem Abstand von mehr als 3 mm vom Boden des Epoxidgehäusekörpers vorgenommen werden. Der Anschlussrahmen muss während des Biegens sicher gehalten werden, um zu verhindern, dass Belastung auf den empfindlichen Epoxidkörper übertragen wird, was zu Rissen oder internen Schäden führen könnte. Das Schneiden der Anschlüsse sollte bei Raumtemperatur erfolgen.

5.2 Lötprozess

Ein Mindestabstand von 3 mm muss zwischen der Lötstelle und dem Epoxidkörper eingehalten werden. Empfohlene Bedingungen sind:

• 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 mit einer Verweilzeit von maximal 5 Sekunden.

Vermeiden Sie jegliche mechanische Belastung der Anschlüsse, während das Bauteil erhöhter Temperatur ausgesetzt ist. Tauch- oder Handlöten sollte nicht mehr als einmal durchgeführt werden. Nach dem Löten sollte das Bauteil vor mechanischem Stoß oder Vibration geschützt werden, bis es auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Schnelle Abkühlprozesse werden nicht empfohlen.

5.3 Reinigung und Lagerung

Ultraschallreinigung ist verboten, da die hochfrequenten Vibrationen die internen Komponenten oder die Epoxidabdichtung beschädigen können. Zur Lagerung sollten Bauteile nach dem Versand bis zu 3 Monate bei 10-30°C und 70% relativer Luftfeuchtigkeit oder weniger aufbewahrt werden. Für längere Lagerung (bis zu einem Jahr) wird ein versiegelter Behälter mit Stickstoffatmosphäre bei 10-25°C und 20-60% relativer Luftfeuchtigkeit empfohlen. Nach dem Öffnen der feuchtigkeitsempfindlichen Verpackung sollten Bauteile innerhalb von 24 Stunden oder so schnell wie möglich verwendet werden, wobei verbleibende Komponenten umgehend wieder versiegelt werden sollten.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungsspezifikation ist 120 Stück pro Tube, 96 Tuben pro Karton und 2 Kartons pro Versandkarton. Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für Kundenteilenummer (CPN), Herstellertyp (P/N), Packmenge (QTY), Referenz (REF) und Losnummer (LOT No.).

7. Anwendungsvorschläge

7.1 Typische Anwendungsszenarien

• Papiererkennung in Druckern/Kopierern/Scannern:Erkennung von Papierpräsenz, Papierstaus oder der vorderen/hinteren Kante eines Dokuments.
• Objektivdeckel- oder Filterpositionserkennung in Kameras:Erkennung, ob eine Objektivabdeckung aufgesetzt ist oder ob ein Filterrad in der richtigen Position ist.
• Berührungslose Endanschlagerkennung:Verwendung in Scannern, Plottern oder automatisierten Bühnen zur Erkennung der Home- oder Grenzposition ohne physischen Kontakt.
• Objektzählung oder -sortierung:Erkennung von Objekten auf einem Förderband, wenn sie den Infrarotstrahl unterbrechen.
• Rotary-Encoder-Scheibenerkennung:Auslesen von Schlitzen in einer rotierenden Scheibe zur Messung von Geschwindigkeit oder Position (obwohl dedizierte Encoder-Module oft besser für hochauflösende Aufgaben geeignet sind).

7.2 Designüberlegungen und Schaltungsinterface

Beim Entwurf mit dem ITR20403 müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:

1. Strombegrenzung für die IRED:Ein Vorwiderstand muss basierend auf der Versorgungsspannung (V_CC), dem gewünschten Durchlassstrom (I_F, typisch 20mA für Nennausgang) und dem Durchlassspannungsabfall (V_F~1,23V) berechnet werden. R = (V_CC- V_F) / I_F.
2. Ausgangsinterface-Schaltung:Der Fototransistor kann in zwei gängigen Konfigurationen verwendet werden:
   • Schaltmodus:Schließen Sie einen Pull-up-Widerstand (z.B. 1kΩ bis 10kΩ) vom Kollektor an V_CC an. Der Emitter ist mit Masse verbunden. Der Ausgang am Kollektor ist niedrig (nahe V_CE(sat)), wenn der Strahl nicht blockiert ist (Transistor EIN), und hoch (V_CC), wenn der Strahl blockiert ist (Transistor AUS).
   • Analogmodus:Der Fototransistor kann in einer Emitterschaltung mit einem Kollektorwiderstand verwendet werden, um eine zur Lichtintensität proportionale Spannung zu erzeugen. Die nichtlineare Reaktion und Temperaturabhängigkeit machen ihn jedoch im Vergleich zu Fotodioden mit Operationsverstärkerschaltungen weniger ideal für präzise analoge Messungen.
3. Störfestigkeit:Obwohl resistent gegenüber Umgebungslicht, kann die Schaltung dennoch elektrisches Rauschen aufnehmen. Entkopplungskondensatoren (0,1 µF) in der Nähe der Versorgungsanschlüsse des Bauteils und ein sorgfältiges Leiterplattenlayout werden empfohlen. Für lange Kabelwege oder rauschintensive Umgebungen können Abschirmung oder die Verwendung des Ausgangs zum Treiben eines Schmitt-Trigger-Eingangs die Zuverlässigkeit verbessern.
4. Blenden- und Schlitzdesign:Das den Strahl unterbrechende Objekt sollte für Infrarot undurchlässig sein. Die Auflösung und Wiederholgenauigkeit der Erkennung hängt von der Breite des Objekts relativ zur Schlitzbreite im Gehäuse des Bauteils ab. Für Kantenerkennung bietet eine Blende oder ein Flagge mit einer scharfen Kante die präziseste Zeitmessung.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Der ITR20403 unterscheidet sich hauptsächlich durch seine kompakte, dünne Bauform, die in miniaturisierter Unterhaltungselektronik vorteilhaft ist. Seine schnelle Ansprechzeit von 15 µs eignet sich zur Erkennung von mäßig schnellen Ereignissen. Das integrierte Gehäuse, das Emitter und Empfänger spektral abstimmt, bietet eine inhärente Unterdrückung von Umgebungslicht, ein Merkmal, das den Entwurf im Vergleich zur Verwendung diskreter Komponenten vereinfacht. Im Vergleich zu reflektierenden Objektsensoren bieten Unterbrecher eine höhere Positionsgenauigkeit und sind weniger empfindlich gegenüber der Farbe oder Reflektivität des Zielobjekts. Verglichen mit geschlitzten Optoschaltern mit breiteren Spalten ermöglicht der enge Spalt dieses Bauteils die Erkennung kleinerer Objekte oder eine präzisere Kantenerkennung.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

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

Die elektro-optischen Eigenschaften werden bei I_F= 20 mA getestet, was ein üblicher und empfohlener Betriebspunkt ist, um den spezifizierten Kollektorstrom im eingeschalteten Zustand zu erreichen. Die Schaltung muss so ausgelegt sein, dass der absolute Maximalwert von 50 mA nicht überschritten wird.

9.2 Warum gibt es einen so großen Bereich (0,2mA bis 5,0mA) für den Kollektorstrom im eingeschalteten Zustand?

Dieser Bereich repräsentiert die Bauteil-zu-Bauteil-Schwankung in der Stromübertragungsrate (CTR), die das Verhältnis des Fototransistor-Ausgangsstroms (I_C) zum IRED-Eingangsstrom (I_F) ist. Diese Schwankung ist inhärent im Herstellungsprozess von Optokopplern und Unterbrechern. Die Schaltung muss so ausgelegt sein, dass sie mit dem minimal spezifizierten I_C(on)(0,2mA) korrekt funktioniert, um die Zuverlässigkeit über alle Produktionseinheiten hinweg sicherzustellen.

9.3 Kann dieser Sensor im Freien verwendet werden?

Obwohl das Gehäuse eine gute Unterdrückung von Umgebungslicht bietet, enthält direktes Sonnenlicht signifikante Infrarotstrahlung, die den Sensor sättigen könnte. Für den Außeneinsatz wären zusätzliche optische Filterung, Abschirmung oder gepulster Betrieb mit synchroner Detektion für eine zuverlässige Leistung notwendig. Der Betriebstemperaturbereich (-25°C bis +80°C) schränkt auch Anwendungen in extremen Umgebungen ein.

9.4 Wie nah muss ein Objekt sein, um den Strahl zu unterbrechen?

Das Bauteil hat einen engen, fokussierten Spalt. Ein Objekt muss physisch durch den Schlitz zwischen Emitter und Detektor hindurchgehen. Es gibt keine "Näherungs"-Erfassungsfähigkeit; der Strahl muss vollständig abgedeckt sein, damit sich der Ausgangszustand zuverlässig ändert.

10. Design- und Anwendungsfallstudie

Szenario: Papierleer-Sensor in einem Desktop-Drucker.

Umsetzung:Der ITR20403 ist im Papierzuführweg des Druckers montiert. Ein Hebel oder eine Flagge, an einer Feder befestigt, ruht im Schlitz des Sensors, wenn kein Papier vorhanden ist. Wenn ein Blatt Papier zugeführt wird, drückt es die Flagge aus dem Schlitz, lässt den Infrarotstrahl passieren und schaltet den Fototransistor EIN.

Schaltungsentwurf:Die IRED wird mit 20mA über einen strombegrenzenden Widerstand aus der 5V-Logikversorgung des Druckers betrieben. Der Kollektor des Fototransistors ist über einen 4,7kΩ Pull-up-Widerstand mit einem 3,3V-Mikrocontroller-Eingangspin verbunden. Der Emitter ist geerdet.

Software-Logik:Der Mikrocontroller-Pin ist als digitaler Eingang konfiguriert. Ein LOW-Signal zeigt an, dass der Strahl nicht blockiert ist (Flagge draußen, Papier vorhanden). Ein HIGH-Signal zeigt an, dass der Strahl blockiert ist (Flagge drinnen, kein Papier), was eine "Papier leer"-Warnung an den Benutzer auslöst. Eine Entprelllogik (z.B. in Software) wird hinzugefügt, um mechanische Vibrationen der Flagge zu ignorieren.

Wichtige Überlegungen für diesen Fall:Der Flaggenmechanismus muss so ausgelegt sein, dass er zuverlässig und vollständig in den Sensorschlitz eintritt. Die Feder muss genügend Kraft für eine positive Rückkehr bieten, aber nicht so viel, dass sie das Papier beschädigt oder Verschleiß am Sensor verursacht. Die Position des Sensors muss sicher befestigt sein, um die Ausrichtung beizubehalten.

11. Funktionsprinzip

Der ITR20403 arbeitet nach dem Prinzip der modulierten Lichtübertragung und -detektion. Eine Infrarot-Leuchtdiode (IRED) wird mit einem konstanten Strom in Durchlassrichtung betrieben, wodurch sie Photonen mit einer Spitzenwellenlänge von 940 nm emittiert. Direkt gegenüber, innerhalb desselben Gehäuses, befindet sich ein Silizium-NPN-Fototransistor. Wenn der Infrarotstrahl ungehindert über den Spalt wandert, trifft er auf die Basisregion des Fototransistors. Die absorbierten Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare, die als Basisstrom wirken, den Transistor EINschalten und einen Kollektorstrom (I_C) fließen lassen, der proportional zur Lichtintensität ist. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt eintritt, blockiert es den Strahl, der photogenerierte Basisstrom hört auf und der Transistor schaltet AUS. Die Ausgangsschaltung wandelt diese EIN/AUS-Zustandsänderung in ein nutzbares elektrisches Signal um. Das schwarze Thermoplastgehäuse dient dazu, den Lichtweg zu enthalten, optische Übersprechung zu verhindern und das meiste sichtbare Umgebungslicht zu blockieren, dessen Photonen im Allgemeinen nicht genug Energie haben, um von der Bandlücke des Silizium-Fototransistors absorbiert zu werden, wodurch eine inhärente optische Filterung bereitgestellt wird.

12. Technologietrends

Opto-Unterbrecher wie der ITR20403 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Technologie. Aktuelle Trends in diesem Bereich konzentrieren sich auf mehrere Bereiche: weitere Miniaturisierung zur Integration in immer kleinere tragbare und Wearable-Geräte; die Entwicklung von Oberflächenmontage-Bauteilen (SMD) mit verbesserter Reflow-Lötkompatibilität für automatisierte Montage; erhöhte Schaltgeschwindigkeiten zur Unterstützung höherer Datenraten in Encoder-Anwendungen oder schnelleren Maschinen; und verbesserte Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie höherer Temperatur, Feuchtigkeit und Verschmutzung. Es gibt auch einen Trend zur Integration zusätzlicher Funktionalität, wie eingebaute Schmitt-Trigger am Ausgang für Hysterese oder sogar digitale Schnittstellen (I2C, SPI) für intelligentere, adressierbare Sensormodule. Das grundlegende Durchsteck-, diskrete Bauteildesign, wie beim ITR20403, bleibt jedoch äußerst kosteneffektiv und weit verbreitet in Anwendungen, wo seine Leistung und Bauform ausreichend sind.