ITR8307/F43 Reflektiver Optischer Sensor Datenblatt - Infrarot-LED & Fototransistor - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der ITR8307/F43 ist ein kompakter, oberflächenmontierbarer reflektiver optischer Sensor für die Objekterkennung auf kurze Distanz. Er integriert eine Infrarot-Leuchtdiode (IR-LED) und einen hochempfindlichen NPN-Silizium-Fototransistor in einem einzigen Kunststoffgehäuse. Die Hauptfunktion besteht darin, die An- oder Abwesenheit eines Objekts zu detektieren, indem Infrarotlicht von der LED emittiert und die Menge des zum Fototransistor zurückreflektierten Lichts gemessen wird.

Die Kernvorteile dieses Bauteils sind seine schnelle Ansprechzeit, hohe Empfindlichkeit für Infrarotlicht und seine Fähigkeit, Störungen durch sichtbares Licht auszufiltern, was einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet. Seine flache und kompakte Bauform macht ihn geeignet für platzbeschränkte Anwendungen in der Unterhaltungselektronik und mikrocomputergesteuerten Geräten.

Das Bauteil ist bleifrei (Pb-free) gefertigt, entspricht der EU REACH-Verordnung und hält halogenfreie Standards ein (Br < 900ppm, Cl < 900ppm, Br+Cl < 1500ppm). Es ist zudem so ausgelegt, dass es innerhalb der Spezifikationen der RoHS-Richtlinie bleibt.

2. Technische Parameter im Detail

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) Verlustleistung (Pd):75 mW bei oder unter 25°C Umgebungstemperatur. Eine Überschreitung kann den LED-Übergang überhitzen.
• LED-Sperrspannung (VR):5 V. Das Anlegen einer höheren Sperrspannung kann zum Durchbruch führen.
• LED-Durchlassstrom (IF):50 mA Dauerbetrieb. Der Spitzendurchlassstrom (IFP) beträgt 1 A für Pulse von 100 µs Breite bei einer Periode von 10 ms.
• Ausgang (Fototransistor) Kollektorverlustleistung (PC):75 mW.
• Kollektorstrom (IC):Maximal 50 mA.
• Kollektor-Emitter-Spannung (V_CEO):30 V. Dies ist die maximale Spannung, die bei offener Basis zwischen Kollektor und Emitter angelegt werden kann.
• Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C. Das Bauteil ist in diesem Umgebungstemperaturbereich funktionsfähig.
• Lagertemperatur (T_stg):-30°C bis +100°C.
• Lötstellentemperatur (T_sol):260°C für maximal 5 Sekunden. Dies ist kritisch für Wellen- oder Reflow-Lötprozesse.

2.2 Elektro-optische Eigenschaften

Diese Parameter werden bei Ta=25°C gemessen und definieren die typische Leistung des Bauteils.

• LED-Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,2 V, maximal 1,6 V bei einem Durchlassstrom (I_F) von 20 mA. Dies ist wichtig für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung.
• LED-Spitzenwellenlänge (λ_P):940 nm. Dies ist die Wellenlänge, bei der die IR-LED die meiste optische Leistung emittiert, was der Spitzenempfindlichkeit des Silizium-Fototransistors entspricht.
• Fototransistor-Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=10V ohne Beleuchtung (E_e=0). Dies ist der Leckstrom, wenn der Sensor 'aus' ist, und sollte für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis minimiert werden.
• Kollektorstrom (I_C(ON)):Mindestens 0,1 mA unter der Testbedingung V_CE=5V und I_F=20mA. Dies ist der Fotostrom, der erzeugt wird, wenn die LED aktiv ist und sich ein Objekt im Erfassungsbereich befindet.
• Anstiegs-/Abfallzeit (t_r, t_f):Typischerweise jeweils 20 µs. Dies definiert die Schaltgeschwindigkeit des Fototransistors, entscheidend für die Erkennung schnell bewegter Objekte oder für Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in einigen Anwendungen.

3. Kennliniendiagramm-Analyse

Das Datenblatt enthält mehrere Kennlinien, die ein tieferes Verständnis des Bauteilverhaltens unter variierenden Bedingungen vermitteln. Während die spezifischen Grafiken hier nicht reproduziert werden, werden ihre typischen Implikationen erläutert.

3.1 IR-LED-Kennlinien

Kennlinien für den Infrarot-Emitter zeigen typischerweise die Beziehung zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom (I-V-Kurve), die nichtlinear ist. Sie veranschaulichen auch die relative Strahlungsintensität in Abhängigkeit vom Durchlassstrom, zeigen, wie die optische Ausgangsleistung mit dem Treiberstrom zunimmt, und den Einfluss der Umgebungstemperatur auf diese Ausgangsleistung, die im Allgemeinen mit steigender Temperatur abnimmt.

3.2 Fototransistor-Kennlinien

Kennlinien für den Empfänger zeigen typischerweise den Kollektorstrom in Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung für verschiedene Bestrahlungsstärken (optische Eingangsleistung). Diese Kurvenschar ähnelt den Ausgangskennlinien eines Bipolartransistors, wobei die Bestrahlungsstärke wie ein Basisstrom wirkt. Andere Kurven können den Kollektorstrom in Abhängigkeit vom Abstand zu einer reflektierenden Oberfläche oder vom LED-Treiberstrom zeigen und definieren so die Übertragungsfunktion des Sensors.

3.3 Kombinierte Sensorkennlinien

Diese Kurven repräsentieren die Leistung der kompletten Sensorbaugruppe. Ein wichtiges Diagramm ist der Kollektorstrom in Abhängigkeit vom Abstand zu einer Standard-Reflexionsfläche (oft eine weiße Karte) bei festem LED-Strom. Diese Kurve definiert den effektiven Erfassungsbereich und das nichtlineare Verhalten über die Distanz, was für den Entwurf von Schwellwertdetektion entscheidend ist.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

Das Bauteil ist in einem kompakten, oberflächenmontierbaren Gehäuse erhältlich. Die genauen Abmessungen sind in der Gehäusezeichnung des Datenblatts angegeben. Wichtige Hinweise aus der Zeichnung spezifizieren, dass alle Maße in Millimetern angegeben sind und die allgemeine Toleranz ±0,15 mm beträgt, sofern nicht anders angegeben. Die nebeneinander angeordnete Platzierung von IR-LED und Fototransistor ist für die Reflexionserfassung optimiert. Das Gehäuse enthält Polarisierungsmarkierungen, um die korrekte Ausrichtung während der Leiterplattenmontage sicherzustellen.

5. Löt- und Montagerichtlinien

Der absolute Maximalwert für die Lötstellentemperatur beträgt 260°C für 5 Sekunden. Dieser Parameter muss während Reflow- oder Wellenlötprozessen strikt eingehalten werden, um Schäden am Kunststoffgehäuse oder den internen Bonddrähten zu verhindern. Standard-IPC/JEDEC J-STD-020-Profile für bleifreies Löten sind generell anwendbar, aber die Spitzentemperatur und die Zeit oberhalb der Liquidustemperatur müssen kontrolliert werden. Längere Exposition gegenüber hoher Luftfeuchtigkeit vor dem Löten sollte vermieden werden, und standardmäßige Handhabungsverfahren für die Feuchtigkeitssensitivitätsstufe (MSL) werden empfohlen, obwohl die spezifische MSL-Klassifizierung im vorliegenden Inhalt nicht angegeben ist.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

Die Standardverpackung ist wie folgt:

1. 160 Stück pro Stange.
2. 18 Stangen pro Innenkarton.
3. 12 Innenkartons pro Master- (Außen-)Karton.

Das Etikett auf der Verpackung enthält Felder für Kundeneigene Produktionsnummer (CPN), Produktionsnummer (P/N), Packmenge (QTY), Kategorie (CAT), Spitzenwellenlänge (HUE), Referenz (REF), Losnummer (LOT No.) und Produktionsort.

7. Anwendungsempfehlungen

7.1 Typische Anwendungsszenarien

Das Datenblatt listet mehrere klassische Anwendungen auf: Kameras (z.B. zur Erkennung von Film- oder Bandvorhandensein), Videorekorder, Diskettenlaufwerke, Kassettenrekorder und verschiedene mikrocomputergesteuerte Geräte. Moderne Anwendungen umfassen Papiererkennung in Druckern, Münzerkennung in Verkaufsautomaten, Kantenerkennung, Objektzählung und Näherungserkennung in Verbrauchergeräten, wo berührungslose Detektion erforderlich ist.

7.2 Designüberlegungen

• Strombegrenzung:Ein Vorwiderstand muss mit der IR-LED in Reihe geschaltet werden, um den Durchlassstrom (I_F) auf einen sicheren Wert zu begrenzen, typischerweise 20 mA für Standardbetrieb, berechnet unter Verwendung der Versorgungsspannung und der Durchlassspannung der LED (V_F).
• Lastwiderstand:Der Fototransistor-Ausgang benötigt einen Pull-Up- oder Lastwiderstand (R_L), der zwischen Kollektor und positive Versorgungsspannung geschaltet wird. Sein Wert bestimmt den Ausgangsspannungshub und die Ansprechgeschwindigkeit. Ein kleinerer Widerstand ermöglicht eine schnellere Reaktion, aber eine geringere Empfindlichkeit (kleinere Spannungsänderung).
• Unempfindlichkeit gegen Umgebungslicht:Während das Bauteil sichtbares Licht ausfiltert, können starke Umgebungs-Infrarotquellen (Sonnenlicht, Glühlampen) die Leistung beeinflussen. Mechanische Abschirmung, optische Filter oder Modulations-/Demodulationstechniken (Pulsen der LED und synchrones Auslesen des Ausgangs) können die Zuverlässigkeit verbessern.
• Reflexionsgrad:Der Erfassungsbereich und die Signalstärke hängen stark vom Reflexionsgrad, der Farbe und der Oberflächenbeschaffenheit des Zielobjekts ab. Kalibrierung oder einstellbare Schwellenwerte können notwendig sein.

8. Technischer Vergleich

Der ITR8307/F43 bietet einen spezifischen Satz an Eigenschaften. Im Vergleich zu einfacheren Fototransistoren oder Fotodioden bietet er eine integrierte, ausgerichtete Lösung für die Reflexionserfassung. Im Vergleich zu modernen digitalen Ausgangssensoren mit eingebauter Logik ist er eine analoge Komponente, die externe Schaltungen zur Signalaufbereitung benötigt, was größere Designflexibilität, aber auch mehr Komplexität bietet. Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind seine kompakte Größe, schnelle Ansprechzeit (20 µs) und die Einhaltung von Umweltvorschriften (RoHS, REACH, halogenfrei).

9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist die typische Erfassungsdistanz?

A: Das Datenblatt gibt keine maximale Distanz an, da diese stark vom Reflexionsgrad des Ziels und dem LED-Treiberstrom abhängt. Die Testbedingung für I_C(ON)verwendet einen 1mm Spalt, was darauf hindeutet, dass er für sehr kurze Reichweiten optimiert ist. Praktische Reichweiten liegen normalerweise bei wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern.

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

A: Nein. Die LED muss mit einer strombegrenzten Quelle angesteuert werden, fast immer realisiert mit einem Vorwiderstand, um thermisches Durchgehen und Zerstörung durch Überstrom zu verhindern.

F: Wie schließe ich den Ausgang an einen Mikrocontroller an?

A: Der Fototransistor-Kollektorausgang ist eine analoge Spannung, die sich mit dem reflektierten Licht ändert. Er kann an einen Analog-Digital-Wandler (ADC)-Pin eines Mikrocontrollers für präzise Messung angeschlossen werden oder über eine Komparatorschaltung, um ein digitales Ein/Aus-Signal für einen GPIO-Pin zu erzeugen.

F: Was ist der Zweck der 'Abschneiden der sichtbaren Wellenlänge'-Funktion?

A: Der Fototransistor ist so ausgelegt, dass er hauptsächlich für das 940 nm Infrarotlicht seiner gepaarten LED empfindlich ist und weniger empfindlich für sichtbares Licht. Dies reduziert Fehlauslösungen durch Änderungen der Umgebungsraumbeleuchtung.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Fall: Papierende-Erkennung in einem Desktop-Drucker

Der Sensor ist im Drucker montiert und auf den Papierweg gerichtet. Ein reflektierender Flagge oder das Papier selbst dient als Ziel. Wenn Papier vorhanden ist, reflektiert Infrarotlicht zum Fototransistor zurück, erzeugt einen hohen Kollektorstrom und eine niedrige Ausgangsspannung (bei Verwendung eines Pull-Up-Widerstands). Wenn das Papier ausgeht, hört die Reflexion auf, der Fototransistor schaltet ab und die Ausgangsspannung geht auf High. Dieser Spannungsübergang wird von der Steuerlogik des Druckers erkannt und löst eine "Papier leer"-Meldung an den Benutzer aus. Die schnelle Ansprechzeit gewährleistet die Erkennung auch bei hohen Papiervorschubgeschwindigkeiten.

11. Funktionsprinzip

Der ITR8307/F43 arbeitet nach dem Prinzip der modulierten Lichtreflexion. Die interne GaAs-Infrarot-LED wandelt elektrischen Strom in Infrarotlicht (940 nm) um. Dieses Licht wird auf einen Zielbereich emittiert. Wenn sich ein Objekt im Erfassungsfeld befindet, wird ein Teil dieses Lichts zurückreflektiert. Der integrierte NPN-Silizium-Fototransistor fungiert als Empfänger. Wenn Photonen des reflektierten Infrarotlichts auf den Basis-Kollektor-Übergang des Fototransistors treffen, erzeugen sie Elektronen-Loch-Paare. Dieser photogenerierte Strom wirkt als Basisstrom, der dann durch die Verstärkung des Transistors verstärkt wird, was zu einem viel größeren Kollektorstrom (I_C) führt. Die Größe dieses Kollektorstroms ist proportional zur Intensität des reflektierten Infrarotlichts, die wiederum vom Abstand und Reflexionsgrad des Objekts abhängt. Durch Messen dieses Ausgangsstroms (oder der Spannung über einem Lastwiderstand) können die Anwesenheit, Abwesenheit oder sogar die ungefähre Entfernung eines Objekts bestimmt werden.

12. Technologietrends

Reflektive optische Sensoren wie der ITR8307/F43 repräsentieren eine ausgereifte und zuverlässige Technologie. Aktuelle Trends in diesem Bereich umfassen eine weitere Miniaturisierung der Gehäuse, die Integration des Sensors mit analoger Front-End-Schaltung (Verstärker, ADCs) und digitaler Logik (I2C/SPI-Schnittstellen) in Ein-Chip-Lösungen, was die Anzahl externer Komponenten reduziert. Es gibt auch einen Fokus auf niedrigeren Stromverbrauch für batteriebetriebene Geräte und verbesserte Algorithmen zur Untergrundlichtunterdrückung und Entfernungsmessung. Die Nachfrage nach umweltkonformen (grünen) Bauteilen, die dieses Bauteil adressiert, bleibt ein starker Treiber in der Elektronikindustrie.

13. Haftungsausschluss und wichtige Hinweise

Basierend auf dem Datenblattinhalt sind die folgenden Haftungsausschlüsse und Hinweise für Benutzer kritisch:

1. Der Hersteller behält sich das Recht vor, die Materialzusammensetzung des Produkts anzupassen.
2. Das Produkt erfüllt seine veröffentlichte Spezifikation für 12 Monate ab dem Versanddatum.
3. Diagramme und typische Werte dienen nur als Referenz und stellen keine garantierten Mindest- oder Höchstgrenzen dar.
4. Der Benutzer ist dafür verantwortlich, das Bauteil innerhalb seiner absoluten Maximalwerte zu betreiben. Der Hersteller übernimmt keine Haftung für Schäden, die durch Missbrauch entstehen.
5. Der Datenblattinhalt ist urheberrechtlich geschützt; eine Vervielfältigung erfordert vorherige Zustimmung.
6. Kritische Warnung:Dieses Produkt istnicht vorgesehenfür den Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen einschließlich militärischer, Luftfahrt-, Automobil-, medizinischer, lebenserhaltender oder lebensrettender Geräte. Für solche Anwendungen muss eine ausdrückliche Genehmigung eingeholt werden.