ITR20002 Foto-Unterbrecher Datenblatt - Seitenansicht-Gehäuse - 940nm Wellenlänge - Technisches Dokument

1. Produktübersicht

Der ITR20002 ist ein kompaktes Foto-Unterbrecher-Modul in Seitenansicht. Es integriert eine Infrarot-Emissionsdiode und einen NPN-Silizium-Fototransistor, die nebeneinander auf einer konvergierenden optischen Achse in einem schwarzen thermoplastischen Gehäuse montiert sind. Diese Konfiguration ist für Objekterkennung, Positionserfassung und berührungslose Schaltanwendungen konzipiert, indem der Infrarotstrahlengang zwischen Sender und Empfänger unterbrochen wird.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

• Schnelle Ansprechzeit:Ermöglicht schnelle Erkennung und Schaltung, geeignet für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
• Hohe Empfindlichkeit:Der Silizium-Fototransistor bietet eine zuverlässige Signalerfassung vom IR-Emitter.
• Spezifische Grenzwellenlänge:Spitzenemissionswellenlänge (λp) von 940nm, optimiert für Infrarot-Erfassung bei minimaler Störung durch sichtbares Licht.
• Umweltkonformität:Das Produkt ist bleifrei und entspricht den Standards RoHS, EU REACH und halogenfrei (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm).
• Konvergierende optische Achse:Das nebeneinander angeordnete, konvergierende Design vereinfacht die Ausrichtung für die Objekterkennung im Spalt zwischen den Komponenten.

1.2 Zielanwendungen

Das Modul ist für verschiedene optoelektronische Erfassungsaufgaben konzipiert, darunter:

• Maus- und Kopierermechanismen zur Erkennung von Bewegung oder Papierpräsenz.
• Diskettenlaufwerke zur Erfassung des Disketteneinschubs oder der Spurposition.
• Allgemeine berührungslose Schaltungen.
• Direkte Montage auf Leiterplatten (PCBs).

2. Detaillierte Analyse der technischen Parameter

Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte, objektive Interpretation der im Datenblatt spezifizierten elektrischen und optischen Hauptparameter.

2.1 Absolute Maximalwerte

Diese Werte definieren die Grenzen, deren Überschreitung zu dauerhaften Schäden am Bauteil führen kann. Ein Betrieb unter diesen Bedingungen ist nicht garantiert.

• Eingang (IR-LED):
  • Verlustleistung (Pd):100 mW bei 25°C. Bei höheren Umgebungstemperaturen ist eine Entlastung erforderlich.
  • Sperrspannung (VR):5 V. Eine Überschreitung kann den LED-Übergang zerstören.
  • Durchlassstrom (IF):60 mA Dauerbetrieb.
  • Spitzendurchlassstrom (IFP):1 A für Impulse ≤100μs bei einem Tastverhältnis von 1%. Dies ermöglicht kurze, hochintensive Impulse.
• Ausgang (Fototransistor):
  • Kollektorverlustleistung (Pc):80 mW. Dies begrenzt die Kombination aus Kollektorstrom und -spannung.
  • Kollektorstrom (IC):20 mA maximaler Dauerstrom.
  • Kollektor-Emitter-Spannung (BV_CEO):35 V. Die maximale Spannung, die am Transistor anliegen darf, wenn die Basis offen ist.
  • Emitter-Kollektor-Spannung (BV_ECO):6 V. Die maximale Sperrspannung zwischen Emitter und Kollektor.
• Thermische Grenzwerte:
  • Betriebstemperatur (T_opr):-25°C bis +85°C.
  • Lagertemperatur (T_stg):-40°C bis +85°C.
  • Lötstellentemperatur (T_sol):260°C für 5 Sekunden in 1/16 Zoll (1,6mm) Abstand vom Gehäuse.

2.2 Elektro-optische Kenngrößen (Ta=25°C)

Dies sind die typischen Betriebsparameter unter spezifizierten Testbedingungen.

• Eingangskenngrößen (IR-LED):
  • Durchlassspannung (V_F):Typischerweise 1,2V bis 1,5V bei I_F=20mA. Dies ist wichtig für den Entwurf der strombegrenzenden Treiberschaltung.
  • Spitzenwellenlänge (λ_P):940nm. Dies ist die Wellenlänge, bei der die IR-LED die meiste optische Leistung emittiert.
• Ausgangskenngrößen (Fototransistor):
  • Dunkelstrom (I_CEO):Maximal 100 nA bei V_CE=20V ohne Beleuchtung (E_e=0). Dies ist der Leckstrom, der das Rauschniveau im "Aus"-Zustand definiert.
  • Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung (V_CE(sat)):Maximal 0,4V bei I_C=0,04mA und I_F=40mA. Ein niedriger V_CE(sat)ist wünschenswert, wenn der Transistor als Schalter verwendet wird.
  • Kollektorstrom (I_C(ON)):Liegt im Bereich von 0,04mA bis 0,9mA bei V_CE=5V und I_F=20mA. Dieser Parameter, die Übertragungskennlinie, definiert die Empfindlichkeit des Kopplers. Der weite Bereich deutet darauf hin, dass es sich um einen kritischen Parameter handelt, der sortiert (gebinned) sein kann.
  • Anstiegs-/Abfallzeit (t_r/t_f):Typischerweise 20μs bzw. 25μs unter spezifischen Testbedingungen (V_CE=2V, I_C=100μA, R_L=100Ω). Diese Werte bestimmen die maximale Schaltfrequenz des Bauteils.

3. Analyse der Kennlinien

Das Datenblatt verweist auf typische Kennlinien sowohl für den IR-Emitter als auch für den Fototransistor. Während die genauen Grafiken hier nicht reproduziert werden, wird ihre Bedeutung erläutert.

3.1 Kennlinien des IR-Emitters

Diese Kurven zeigen typischerweise den Zusammenhang zwischen Durchlassstrom (I_F) und Durchlassspannung (V_F) bei verschiedenen Temperaturen und zeigen den negativen Temperaturkoeffizienten von V_F. Sie können auch die relative Strahlungsintensität gegenüber dem Durchlassstrom und das Winkelstrahlungsdiagramm zeigen, was entscheidend für das Verständnis der Strahlaufweitung im Seitenansicht-Gehäuse ist.

3.2 Kennlinien des Fototransistors

Diese Kurven sind für den Schaltungsentwurf unerlässlich. Sie umfassen typischerweise:

• Kollektorstrom vs. Kollektor-Emitter-Spannung (I_C-V_CE):Kurvenschar für verschiedene Bestrahlungsstärken (oder verschiedene IR-LED-Ströme). Dies zeigt die Ausgangskennlinien des Transistors und hilft bei der Bestimmung der Arbeitsgeraden.
• Kollektorstrom vs. Bestrahlungsstärke (oder I_F):Diese Übertragungskurve quantifiziert die Empfindlichkeit und zeigt, wie viel Ausgangsstrom für eine gegebene Eingangslichtstärke erzeugt wird.
• Dunkelstrom vs. Temperatur:Zeigt, wie der Leckstrom mit der Temperatur ansteigt, was das Signal-Rausch-Verhältnis in Hochtemperaturumgebungen beeinflussen kann.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen

Der ITR20002 ist in einem Standard-Seitenansicht-Durchsteckgehäuse erhältlich. Die Maßzeichnung im Datenblatt liefert kritische Maße für das PCB-Layout und die mechanische Integration. Wichtige Merkmale sind der Anschlussabstand, die Gehäusekörperabmessungen und die Lage der optischen Apertur. Der Hinweis spezifiziert, dass Toleranzen ±0,25mm betragen, sofern in der Maßzeichnung nicht anders angegeben.

4.2 Polaritätskennzeichnung

Bei Durchsteckgehäusen wird die Polarität typischerweise durch die physikalische Form des Gehäuses (eine Abflachung oder Nut) oder durch die Länge der Anschlüsse angezeigt. Die Datenblattzeichnung sollte die Anode und Kathode der IR-LED sowie den Kollektor und Emitter des Fototransistors klar kennzeichnen. Die korrekte Polarität ist für den Betrieb des Bauteils und zur Schadensvermeidung unerlässlich.

5. Anwendungs- und Designrichtlinien

5.1 Typische Anwendungsschaltung

Eine grundlegende Anwendung umfasst das Ansteuern der IR-LED mit einem strombegrenzenden Widerstand, der an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Fototransistor ist typischerweise in einer Emitterschaltung konfiguriert: Der Kollektor wird über einen Lastwiderstand (R_L) an eine Versorgungsspannung gelegt, und der Emitter ist geerdet. Das Ausgangssignal wird vom Kollektor abgenommen. Der Wert von R_Lbeeinflusst den Ausgangsspannungshub, die Geschwindigkeit und den Stromverbrauch. Ein kleinerer R_Lermöglicht schnelleres Schalten, aber einen kleineren Spannungshub; ein größerer R_Lergibt einen größeren Hub, aber eine langsamere Ansprechzeit.

5.2 Designüberlegungen

• Ausrichtung:Das nebeneinander angeordnete, konvergierende Achsendesign bedeutet, dass der empfindliche Erfassungsbereich im Spalt zwischen Sender und Empfänger liegt. Eine präzise mechanische Ausrichtung des Objektpfads ist für einen zuverlässigen Betrieb erforderlich.
• Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht:Obwohl der 940nm-Filter im Gehäuse hilft, können starke Umgebungs-IR-Quellen (Sonnenlicht, Glühlampen) den Fototransistor sättigen. Die Verwendung eines modulierten IR-Signals und einer synchronen Detektion kann die Störfestigkeit erheblich verbessern.
• Stromansteuerung:Betreiben Sie die IR-LED bei oder unterhalb des empfohlenen I_F(z.B. 20mA) für langfristige Zuverlässigkeit. Das Pulsieren der LED mit einem höheren Strom (innerhalb der I_FP-Grenzen) kann den Erfassungsbereich oder die Signalstärke erhöhen.
• Ausgangsschnittstelle:Der Fototransistorausgang kann direkt in einen digitalen Eingang eines Mikrocontrollers (mit entsprechendem Pull-up) oder in einen Komparator für eine präzise Schwellenwertdetektion in analogen Anwendungen eingespeist werden.

6. Verpackungs- und Bestellinformationen

6.1 Etikettenspezifikation

Das Produktetikett enthält mehrere Codes:

• CPN:Kundenspezifische Artikelnummer.
• P/N:Hersteller-Artikelnummer (ITR20002).
• QTY:Menge in der Verpackung.
• CAT / HUE / REF:Diese beziehen sich wahrscheinlich auf interne Sortiercodes für Parameter wie Lichtstärke (CAT), dominante Wellenlänge (HUE) und Durchlassspannung (REF).
• LOT No:Rückverfolgbare Losnummer.

6.2 Packvorschrift

Die Standardverpackung ist 150 Stück pro Beutel, 5 Beutel pro Karton und 10 Kartons pro Versandkarton. Diese Information ist für die Lagerplanung und die Zuführung auf der Produktionslinie von entscheidender Bedeutung.

7. Technischer Vergleich und Positionierung

Der ITR20002 stellt eine klassische, kosteneffektive Lösung für die Objekterkennung dar. Seine wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind die spezifische Seitenansicht-Bauform und die konvergierende optische Achse, die für die Erkennung von Objekten, die durch einen bestimmten Schlitz oder Spalt laufen, konzipiert sind. Im Vergleich zu Reflexionssensoren bietet er eine höhere Zuverlässigkeit und Konsistenz, da er weniger von der Reflektivität des Zielobjekts abhängt. Im Vergleich zu Transmissionssensoren mit gegenüberliegenden Sendern und Empfängern ermöglicht er ein kompakteres mechanisches Design, bei dem das Objekt den Strahl innerhalb eines einzelnen Moduls unterbricht. Die 940nm-Wellenlänge ist ein gängiger Standard, der eine gute Balance zwischen Bauteilverfügbarkeit, Kosten und Unterdrückung von Umgebungslicht bietet.

8. Häufig gestellte Fragen (FAQ)

8.1 Was ist der typische Erfassungsabstand oder Spalt?

Das Datenblatt spezifiziert die I_C(ON)-Testbedingung als "mit Reflektor in 5mm Entfernung". Dies deutet darauf hin, dass das Bauteil für eine sehr kurze Erfassungsreichweite optimiert ist, wahrscheinlich im Bereich weniger Millimeter. Der tatsächlich nutzbare Spalt hängt vom Treiberstrom zur IR-LED, der Empfindlichkeit der Empfängerschaltung und der erforderlichen Signalmarge ab.

8.2 Wie schütze ich das Bauteil vor elektrischen Störspannungen?

Für die IR-LED ist ein einfacher Vorwiderstand normalerweise ausreichend. Für den Fototransistor, der in rauschbehafteten Umgebungen arbeitet, sollte die Hinzufügung eines kleinen Kondensators (z.B. 1-10nF) zwischen Kollektor und Emitter zur Filterung von Hochfrequenzrauschen in Betracht gezogen werden, wobei zu beachten ist, dass dies die Ansprechzeit verlangsamt. Für raue Industrieumgebungen können zusätzliche externe Clamp-Dioden oder TVS-Dioden an den Ein-/Ausgangsleitungen erforderlich sein.

8.3 Kann ich dieses Bauteil für die Drehzahlerfassung an einer rotierenden Schlitzscheibe verwenden?

Ja, dies ist eine häufige Anwendung. Die maximale Schaltfrequenz wird durch die Anstiegs-/Abfallzeiten (typischerweise ~20-25μs) begrenzt, was theoretisch Frequenzen bis zu etwa 20 kHz ermöglicht. In der Praxis wird die Frequenz aufgrund von Schaltungs- und Tastverhältnisbeschränkungen niedriger sein. Stellen Sie sicher, dass die Schlitze und Lücken auf der Scheibe breit genug sind, damit der Fototransistor vollständig ein- und ausschalten kann.

9. Funktionsprinzip

Der ITR20002 arbeitet nach dem Prinzip der Lichtunterbrechung. Die interne Infrarot-Emissionsdiode (IRED) wird in Durchlassrichtung betrieben, wodurch sie Licht mit einer Spitzenwellenlänge von 940nm emittiert. Der NPN-Silizium-Fototransistor, der auf einer konvergierenden Achse positioniert ist, empfängt diese Strahlung normalerweise, wenn nichts den Strahlengang blockiert. Photonen mit ausreichender Energie treffen auf die Basisregion des Fototransistors und erzeugen Elektron-Loch-Paare. Dieser Fotostrom wirkt als Basisstrom, der dann durch die Stromverstärkung (Beta) des Transistors verstärkt wird, was zu einem viel größeren Kollektorstrom führt. Wenn ein undurchsichtiges Objekt in den Spalt zwischen Sender und Empfänger platziert wird, wird der Lichtweg unterbrochen. Der Fotostrom hört auf und der Transistor schaltet ab, wodurch der Kollektorstrom auf einen sehr niedrigen Wert (den Dunkelstrom) sinkt. Diese Ein-/Aus-Änderung des Kollektorstroms liefert ein digitales Signal, das die An- oder Abwesenheit eines Objekts anzeigt.

10. Haftungsausschluss und Zuverlässigkeitshinweise

Die in diesem technischen Dokument bereitgestellten Informationen basieren auf dem Originaldatenblatt. Wichtige Haftungsausschlüsse und Hinweise des Herstellers umfassen:

• Spezifikationen und Materialien können sich ändern.
• Das Produkt erfüllt die veröffentlichten Spezifikationen für 12 Monate ab dem Versanddatum.
• Grafiken und typische Werte dienen nur zur Referenz und sind nicht garantiert.
• Ein Betrieb außerhalb der absoluten Maximalwerte kann dauerhafte Schäden verursachen.
• Das Produkt ist ohne ausdrückliche Genehmigung nicht für sicherheitskritische, militärische, Luftfahrt-, Automobil-, medizinische oder lebenserhaltende Anwendungen vorgesehen.

Es liegt in der Verantwortung des Designers, die Eignung und Leistung des Bauteils in seiner spezifischen Anwendung zu validieren.