ITR9707 Opto-Interrupter Datenblatt - Abmessungen 7,0x4,0x3,0mm - Durchlassspannung 1,2V - Peak-Wellenlänge 940nm - Deutsche technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Der ITR9707 ist ein kompaktes Opto-Interrupter-Modul, auch bekannt als Foto-Interrupter oder Schlitzsensor. Es integriert eine Infrarot-Emissionsdiode (IRED) und einen Silizium-Fototransistor in einem einzigen schwarzen thermoplastischen Gehäuse. Die Komponenten sind nebeneinander auf konvergierenden optischen Achsen positioniert. Das grundlegende Funktionsprinzip basiert auf der Unterbrechung eines Infrarot-Lichtstrahls. Im Normalzustand empfängt der Fototransistor die Strahlung der benachbarten IR-LED. Wenn ein undurchsichtiges Objekt den Schlitz zwischen Sender und Empfänger passiert, wird der Lichtweg blockiert, wodurch sich der Ausgangszustand des Fototransistors ändert. Dies bietet eine zuverlässige, berührungslose Methode zur Erfassung der Anwesenheit, Abwesenheit oder Position eines Objekts.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

• Schnelle Ansprechzeit:Ermöglicht die Erfassung von Hochgeschwindigkeitsereignissen mit typischen Anstiegs- und Abfallzeiten von 15 Mikrosekunden.
• Hohe Empfindlichkeit:Der Silizium-Fototransistor liefert ein starkes elektrisches Signal auf die Infrarot-Beleuchtung.
• Spezifische Wellenlänge:Verwendet eine IR-LED mit einer Spitzenemissionswellenlänge (λp) von 940 nm, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt und Störungen durch Umgebungslicht reduziert.
• Umweltkonformität:Das Produkt ist bleifrei, entspricht der RoHS-Richtlinie und hält die EU-REACH-Verordnungen ein.

1.2 Zielanwendungen

Dieses Bauteil ist für verschiedene berührungslose Erfassungs- und Schaltanwendungen konzipiert, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Positionserfassung in Computermäusen und Kopierern, Randerkennung in Scannern und Diskettenlaufwerken, universelle berührungslose Schalter und direkte Platinenmontage in verschiedenen elektronischen Baugruppen.

2. Technische Spezifikationen und detaillierte Interpretation

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, jenseits derer dauerhafte Schäden am Bauteil auftreten können. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingang (IR-LED):Der maximale Dauer-Durchlassstrom (IF) beträgt 50 mA. Die maximale Sperrspannung (VR) beträgt 5 V. Die Verlustleistung (Pd) beträgt 75 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur.
• Ausgang (Fototransistor):Der maximale Kollektorstrom (IC) beträgt 20 mA. Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (BVCEO) beträgt 30 V. Die Verlustleistung (Pd) beträgt 75 mW.
• Thermisch:Der Betriebstemperaturbereich (Topr) liegt bei -25°C bis +85°C. Der Lagertemperaturbereich (Tstg) liegt bei -40°C bis +85°C.
• Löten:Die Löttemperatur für die Anschlüsse (Tsol) darf 260°C für eine Dauer von maximal 5 Sekunden nicht überschreiten, gemessen 3 mm vom Gehäuse entfernt.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen

Dies sind die typischen Leistungsparameter, gemessen bei Ta=25°C, die das Betriebsverhalten des Bauteils definieren.

• Eingangskenngrößen:Die Durchlassspannung (VF) der IR-LED beträgt typisch 1,2 V bei einem Treiberstrom (IF) von 20 mA, maximal 1,5 V. Der Sperrstrom (IR) beträgt maximal 10 µA bei VR=5 V.
• Ausgangskenngrößen:Der Kollektor-Dunkelstrom (ICEO), also der Leckstrom ohne Beleuchtung, beträgt maximal 100 nA bei VCE=20 V. Die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (VCE(sat)) beträgt maximal 0,4 V, wenn der Fototransistor in Sättigung getrieben wird (IC=2 mA, Ee=1 mW/cm²).
• Übertragungskenngrößen:Dies definiert die Beziehung zwischen Eingang und Ausgang. Der Kollektorstrom im eingeschalteten Zustand (IC(on)) ist garantiert mindestens 0,5 mA, wenn die IR-LED mit IF=20 mA angesteuert und der Fototransistor mit VCE=5 V vorgespannt wird. Dieser Parameter, bekannt als Stromübertragungsverhältnis (CTR), ist entscheidend für den Entwurf der Schnittstellenschaltung.
• Dynamisches Ansprechverhalten:Sowohl die Anstiegszeit (tr) als auch die Abfallzeit (tf) betragen typisch 15 µs unter spezifizierten Testbedingungen (VCE=5 V, IC=1 mA, RL=1 kΩ). Dies bestimmt die maximale Schaltfrequenz.

3. Analyse der Kennlinien

3.1 IR-LED-Kennlinien

Das Datenblatt enthält typische Kurven für die Infrarot-Emitter-Komponente. DasDiagramm "Durchlassstrom vs. Umgebungstemperatur"zeigt, wie der maximal zulässige Durchlassstrom mit steigender Umgebungstemperatur über 25°C reduziert werden muss, was für das thermische Management entscheidend ist. DieKurve "Durchlassstrom vs. Durchlassspannung"veranschaulicht die IV-Kennlinie der Diode, die für die Auswahl des Vorwiderstands wesentlich ist. DasSpektrale Empfindlichkeitsdiagrammbestätigt die Spitzenemission bei 940 nm und die Breite des Emissionsbandes.

3.2 Fototransistor-Kennlinien

DieSpektrale Empfindlichkeitskurvefür den Fototransistor zeigt seine Empfindlichkeit über verschiedene Wellenlängen. Sie erreicht ihr Maximum im nahen Infrarotbereich und stimmt eng mit der 940-nm-Ausgabe der gepaarten IR-LED überein. Diese spektrale Abstimmung maximiert die Empfindlichkeit und minimiert die Reaktion auf unerwünschte Umgebungslichtquellen.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der ITR9707 ist in einem standardmäßigen, kompakten Gehäuse untergebracht. Wichtige Abmessungen sind eine Gesamtgehäusebreite von ca. 7,0 mm, eine Höhe von 4,0 mm und eine Tiefe von 3,0 mm. Die Schlitzweite, die die Größe des detektierbaren Objekts bestimmt, ist eine kritische Abmessung. Der Anschlussabstand ist für die Durchsteckmontage auf Leiterplatten standardisiert. Alle Maßtoleranzen betragen typisch ±0,3 mm, sofern nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung und Montage

Das Bauteil hat eine standardisierte Pinbelegung, bei der Anode und Kathode der IR-LED auf einer Seite und Emitter und Kollektor des Fototransistors auf der anderen Seite liegen. Das schwarze Gehäuse und spezifische Anschlusslängen oder Gehäusemarkierungen zeigen typischerweise die Ausrichtung an. Während des Leiterplattenlayouts und der Montage muss die korrekte Polarität beachtet werden.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 Vorsichtsmaßnahmen beim Anschlussbiegen

Falls Anschlüsse für die Montage gebogen werden müssen, muss diesvordem Löten erfolgen. Das Biegen sollte nicht näher als 3 mm von der Basis des Epoxid-Gehäuses erfolgen, um die Übertragung von Spannungen zu vermeiden, die das Gehäuse brechen oder den internen Chip beschädigen könnten. Die Anschlüsse müssen während des Biegens gesichert sein, und der Vorgang sollte bei Raumtemperatur durchgeführt werden.

5.2 Empfohlene Lötparameter

• Handlöten:Die Lötspitzentemperatur sollte 300°C nicht überschreiten (für ein 30W-Lötkolben max.). Die Lötzeit pro Anschluss sollte 3 Sekunden oder weniger betragen. Die Lötstelle muss mindestens 3 mm vom Epoxid-Gehäuse entfernt sein.
• Wellen-/Tauchlöten:Die Vorheiztemperatur sollte maximal 100°C für bis zu 60 Sekunden betragen. Die Badlöttemperatur sollte 260°C nicht überschreiten, mit einer Verweilzeit in der Welle von 5 Sekunden oder weniger. Auch hier ist ein Mindestabstand von 3 mm zum Gehäuse einzuhalten.

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

5.3 Nachlötbehandlung

Vermeiden Sie mechanische Belastung oder Vibration am Bauteil, solange es noch heiß vom Löten ist. Lassen Sie es natürlich auf Raumtemperatur abkühlen. Tauch- oder Handlöten sollte nicht mehr als einmal wiederholt werden. Ultraschallreinigung wird für dieses Bauteil nicht empfohlen.

6. Lagerung und Handhabung

Für die Langzeitlagerung über die standardmäßige 3-monatige Haltbarkeit ab Versand hinaus sollten die Bauteile in einem versiegelten Behälter mit Stickstoffatmosphäre bei 10°C~25°C und 20%~60% relativer Luftfeuchtigkeit aufbewahrt werden. Nach dem Öffnen der feuchtigkeitsempfindlichen Verpackung sollten die Komponenten innerhalb von 24 Stunden oder so bald wie möglich verwendet werden. Plötzliche Temperaturwechsel in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit müssen vermieden werden, um Kondensation zu verhindern, die zu Korrosion oder anderen Schäden beim nachfolgenden Löten führen kann.

7. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackungskonfiguration ist 78 Stück pro Tube. Zweiundvierzig Tuben werden in eine Box gepackt, und vier Boxen werden in einen Masterkarton gepackt. Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für Kundenteilenummer (CPN), Herstellerteilenummer (P/N), Menge (QTY), Referenzdesignatoren (REF) und Losnummer (LOT No) für die Rückverfolgbarkeit.

8. Anwendungsdesign-Überlegungen

8.1 Typische Schaltungskonfiguration

Eine typische Anwendungsschaltung beinhaltet einen Vorwiderstand in Reihe mit der Anode der IR-LED. Der Wert wird basierend auf der Versorgungsspannung (Vcc), der Durchlassspannung der LED (VF ~1,2 V) und dem gewünschten Durchlassstrom (IF, z.B. 20 mA) berechnet. Der Fototransistor wird üblicherweise im Schaltmodus verwendet, als Pulldown-Bauteil mit seinem Kollektor an Vcc (ggf. über einen Pull-up-Widerstand) und seinem Emitter an Masse geschaltet. Die Spannung am Kollektorknoten ist niedrig, wenn der Strahl nicht unterbrochen ist (Transistor EIN), und hoch, wenn der Strahl blockiert ist (Transistor AUS).

8.2 Designfaktoren

• Objekterkennung:Das Bauteil erkennt undurchsichtige Objekte, die den Infrarotstrahl innerhalb des Schlitzes vollständig unterbrechen. Reflektierende oder lichtdurchlässige Materialien können möglicherweise keine zuverlässige Zustandsänderung auslösen.
• Immunität gegen Umgebungslicht:Die 940-nm-Wellenlänge und die abgestimmte spektrale Antwort bieten eine gute Unterdrückung von häufigem sichtbarem Umgebungslicht. Starke Infrarotlichtquellen (z.B. Sonnenlicht, Glühlampen) können jedoch potenziell Störungen verursachen und erfordern für kritische Anwendungen möglicherweise optische Abschirmung oder Modulations-/Demodulationstechniken.
• Ansprechgeschwindigkeit:Die Ansprechzeit von 15 µs ermöglicht die Erfassung von sich relativ schnell bewegenden Objekten, geeignet für Encoder und Geschwindigkeitssensoren.
• Ausrichtung:Die eingebaute konvergierende Optik vereinfacht die Ausrichtung, aber die Leiterplatte muss so gestaltet sein, dass die Anschlüsse spannungsfrei eingeführt werden können und der Schlitz frei bleibt.

9. Technischer Vergleich und Positionierung

Der ITR9707 stellt eine standardmäßige, kostengünstige Lösung für die Durchsteckmontage dar. Seine Hauptunterscheidungsmerkmale sind seine spezifische 940-nm-Wellenlänge, die ein gängiger Industriestandard ist, und seine robuste Bauweise. Im Vergleich zu Reflexionssensoren bieten Interrupter eine zuverlässigere und konsistentere Erfassung, da sie weniger anfällig für Schwankungen in der Reflektivität der Zieloberfläche sind. Im Vergleich zu modernen Oberflächenmontage-Bauteilen bietet das Durchsteckgehäuse mechanische Robustheit in Anwendungen mit Vibration oder bei manueller Montage.

10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der typische Arbeitsabstand oder Spalt?

A: Der Arbeits- "Spalt" ist der physikalische Schlitz innerhalb des Gehäuses selbst. Das Bauteil erkennt jedes undurchsichtige Objekt, das in diesen internen Schlitz eindringt und ihn blockiert. Es wird nicht zur Erfassung von Objekten in einer Entfernung außerhalb des Gehäuses verwendet.

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

A: Nein. Eine LED ist ein stromgesteuertes Bauteil. Ein Vorwiderstand in Reihe ist zwingend erforderlich, um übermäßigen Strom zu verhindern, der die LED zerstören würde, selbst wenn die Versorgungsspannung niedrig erscheint.

F: Wie interpretiere ich den minimalen IC(on)-Wert von 0,5 mA?

A: Dies ist der garantierte Mindestausgangsstrom, wenn der Eingang unter Standardtestbedingungen (IF=20 mA, VCE=5 V) angesteuert wird. Ihre Schaltung sollte auch dann korrekt funktionieren, wenn das tatsächliche Bauteil dieser Mindestspezifikation entspricht, was Robustheit über Produktionsschwankungen hinweg sicherstellt.

F: Ist dieser Sensor immun gegen Sonnenlicht?

A: Während der 940-nm-Filter hilft, enthält direktes Sonnenlicht eine erhebliche Menge an Infrarotstrahlung und kann den Sensor sättigen. Für den Außeneinsatz oder in sehr hellen Innenräumen werden zusätzliche optische Abschirmung oder elektronische Filterung (z.B. moduliertes Licht) empfohlen.

11. Praktische Anwendungsbeispiele

Beispiel 1: Papierstau-Erkennung in einem Drucker.Der Interrupter ist so montiert, dass eine Papierklappe oder das Papier selbst seinen Schlitz passiert. Wenn Papier vorhanden ist, wird der Strahl blockiert und der Fototransistor ist aus. Ein Papierstau oder Papiermangel (keine Blockade) lässt den Transistor einschalten und signalisiert dies dem Mikrocontroller.

Beispiel 2: Drehgeber für Motordrehzahl.Eine gelochte Scheibe, die an einer Motorwelle befestigt ist, dreht sich zwischen den Armen des Interrupters. Wenn jeder Schlitz durchläuft, wird der Strahl abwechselnd unterbrochen und durchgelassen, wodurch ein Rechteckimpulszug erzeugt wird. Die Frequenz dieses Signals ist direkt proportional zur Drehzahl des Motors.

12. Funktionsprinzip

Der ITR9707 arbeitet nach dem Prinzip der Unterbrechung von transmittiertem Licht. Ein Infrarot-Lichtstrahl wird von der GaAlAs-LED erzeugt. Dieser Strahl durchquert einen kleinen Luftspalt innerhalb des Gerätegehäuses und wird auf den empfindlichen Bereich des Silizium-NPN-Fototransistors fokussiert. Der Fototransistor wirkt als Stromquelle; einfallende Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in seiner Basisregion, induzieren einen Basisstrom, der dann durch die Verstärkung des Transistors verstärkt wird, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt. Wenn ein Objekt den Strahl blockiert, fällt der Photonenfluss auf null, der Basisstrom hört auf und der Kollektorstrom fällt auf sein sehr niedriges Dunkelstromniveau. Diese starke Änderung des Ausgangsstroms wird als digitales Signal verwendet, das die Anwesenheit des Objekts anzeigt.

13. Technologietrends

Opto-Interrupter bleiben grundlegende Komponenten in der Positions- und Bewegungserfassung. Aktuelle Trends umfassen die Entwicklung von Oberflächenmontage-Versionen (SMD) für die automatisierte Montage, die kleinere Bauraum- und Bauhöhen bieten. Es gibt auch einen Trend zur Integration zusätzlicher Schaltkreise auf dem Chip, wie z.B. Schmitt-Trigger für digitalen Ausgang mit Hysterese, Verstärker für analogen Ausgang oder sogar vollständige Encoder-Logik. Darüber hinaus zielen Fortschritte bei Verpackungsmaterialien darauf ab, die thermische Leistung und die Beständigkeit gegen Platinenreinigungsprozesse zu verbessern. Das Kernprinzip der optischen Unterbrechung wird jedoch weiterhin für seine Einfachheit, Zuverlässigkeit und berührungslose Natur geschätzt.