ITR8104 光遮断器 データシート - 940nm赤外線 - 5V/20mA - 技術文書

1. 製品概要

ITR8104は、非接触センシングおよびスイッチングアプリケーション向けに設計されたコンパクトな光遮断器モジュールです。赤外線発光ダイオードとNPNシリコンフォトトランジスタを単一の黒色熱可塑性樹脂ハウジング内に集積しています。両素子は収束する光軸上に並べて配置されています。通常状態では、フォトトランジスタはLEDから放射される赤外線を受光します。不透明な物体がエミッタとディテクタ間の光路を遮断すると、フォトトランジスタの導通が停止し、明確なスイッチング信号を提供します。

本デバイスの主な利点は、高速応答時間、高感度、および可視光スペクトル外の940nmのピーク発光波長による環境光干渉の最小化です。本デバイスは鉛フリー材料で構成され、RoHSやEU REACHなどの関連環境規制に準拠しています。

2. 技術仕様詳細

2.1 絶対最大定格

これらの限界を超えて動作させると、永久損傷を引き起こす可能性があります。

• 入力 (IR LED):
  • 電力損失 (Pd): 75 mW (25°C以下)
  • 逆電圧 (VR): 5 V
  • 順電流 (IF): 50 mA
• 出力 (フォトトランジスタ):
  • コレクタ電力損失 (Pc): 75 mW
  • コレクタ電流 (IC): 20 mA
  • コレクタ-エミッタ電圧 (BV_CEO): 30 V
  • エミッタ-コレクタ電圧 (BV_ECO): 5 V
• 熱特性:
  • 動作温度 (T_opr): -25°C ～ +85°C
  • 保管温度 (T_stg): -40°C ～ +85°C
  • リードはんだ付け温度 (T_sol): 260°C、5秒以下 (パッケージから3mmの位置で測定)

2.2 電気光学特性 (T_a=25°C)

これらのパラメータは、代表的な動作条件下におけるデバイスの性能を定義します。

• 入力 (IR LED) 特性:
  • 順電圧 (V_F): 1.2V (代表値), 1.6V (最大値) (I_F=20mA時)
  • 逆電流 (I_R): 10 μA (最大値) (V_R=5V時)
  • ピーク波長 (λ_P): 940 nm (代表値) (I_F=20mA時)
• 出力 (フォトトランジスタ) 特性:
  • 暗電流 (I_CEO): 100 nA (最大値) (V_CE=20V, E_e=0mW/cm²時)
  • コレクタ-エミッタ飽和電圧 (V_CE(sat)): 0.4V (最大値) (I_C=0.5mA, I_F=20mA時)
  • コレクタ電流 (I_C(ON)): 0.5 mA (最小値) (V_CE=5V, I_F=20mA時)
  • 立上り時間 (t_r): 20 μs (代表値) (V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ時)
  • 立下り時間 (t_f): 20 μs (代表値) (V_CE=5V, I_C=1mA, R_L=1kΩ時)

3. 性能曲線分析

データシートには、設計エンジニアにとって不可欠ないくつかの特性曲線が提供されています。

3.1 IR LED特性

グラフは順電流と周囲温度の関係を示し、高温時に電力制限内に収めるために必要なデレーティングを示しています。スペクトル感度曲線は940nmでのピーク発光を確認します。別のグラフは、周囲温度によるピーク発光波長のわずかな変動を示しており、ほとんどのアプリケーションでは通常無視できます。

3.2 フォトトランジスタ特性

主要なグラフには、さまざまな温度におけるコレクタ電流と順電流の関係（伝達特性）が含まれており、デバイスの感度を強調しています。コレクタ電力損失対周囲温度のグラフは熱管理に重要で、周囲温度の上昇に伴い最大許容電力がどのように減少するかを示しています。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

ITR8104は標準的なスルーホールパッケージです。重要な寸法には、リード間隔、ボディ幅、全高が含まれます。特に指定がない限り、すべての寸法はミリメートル単位で、一般的な公差は±0.3mmです。リード間隔は、リードがプラスチックパッケージボディから出る点で測定されます。

4.2 極性識別と実装

デバイスは標準的なピン配置を持ちます：赤外線LEDのアノードとカソード、およびフォトトランジスタのコレクタとエミッタです。ハウジングは通常、ピン1を示すためにマークまたは形状が付けられています。PCBに実装する際は、リード位置に穴を正確に合わせ、エポキシボディに機械的ストレスがかからないようにする必要があります。これは性能低下や故障の原因となる可能性があります。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

5.1 リードフォーミング

• 曲げ加工は、エポキシ樹脂ボディの底面から3mm以上離れた位置で行う必要があります。
• リードフォーミングは、はんだ付け工程前に完了させる必要があります。
• 曲げ加工中は、パッケージにストレスがかからないように、リードフレームを確実に保持する必要があります。
• リードの切断は室温で行ってください。

5.2 はんだ付け推奨事項

熱損傷を防ぐため、はんだ接合部からエポキシボディまでの最小距離を3mm保ってください。

• 手はんだ:はんだごて先温度: 最大300°C (最大30W)。はんだ付け時間: リードあたり最大3秒。
• フロー/ディップはんだ付け:予熱温度: 最大100°C (最大60秒)。はんだ浴温度: 最大260°C。浸漬時間: 最大5秒。
• はんだ付け後の急冷は避け、デバイスが徐々に室温に戻るようにしてください。
• ディップまたは手はんだ付けは複数回行わないでください。

5.3 推奨はんだ付けプロファイル

このプロファイルは、部品への熱衝撃を最小限に抑えるために、段階的な予熱、液相線以上の制御時間（通常260°C）、および制御された冷却速度を提案しています。

6. 保管および取り扱い

• 初期保管 (出荷後):10～30°C、相対湿度70%以下、最大3ヶ月間。
• 長期保管 (3ヶ月以上):10～25°C、相対湿度20～60%、窒素雰囲気の密閉容器内、最大1年間。
• 梱包開封後:10～25°C、相対湿度20～60%で保管。24時間以内またはできるだけ早く使用してください。未使用のデバイスは速やかに再密封してください。
• 高湿度環境での急激な温度変化は結露を防ぐために避けてください。
• 洗浄:本デバイスには超音波洗浄は推奨されません。

7. 梱包および発注情報

7.1 梱包仕様

標準梱包は以下の通りです：チューブあたり100個、ボックスあたり20チューブ、カートンあたり4ボックス。

7.2 ラベル情報

製品ラベルには以下の項目が含まれます：顧客品番 (CPN)、品番 (P/N)、梱包数量 (QTY)、光度ランク (CAT)、主波長ランク (HUE)、順電圧ランク (REF)、ロット番号 (LOT No.)、および日付/月コード (X)。

8. アプリケーション提案

8.1 代表的なアプリケーションシナリオ

• 位置/速度センシング:コンピュータマウス、コピー機、フロッピーディスクドライブでの回転または直線運動の検出。
• 非接触スイッチング:自動販売機、セキュリティシステム、産業オートメーションでの物体検出。
• エッジ検出:プリンターやスキャナーでの用紙有無やメディア端の検出。
• 直接基板実装:信頼性の高い絶縁スイッチングが必要なスルーホールPCBアプリケーションに適しています。

8.2 設計上の考慮点

• 電流制限:IR LEDには常に直列抵抗を使用して順電流 (I_F) を所望の値（長期信頼性のため通常20mA以下）に制限してください。
• 負荷抵抗:プルアップ抵抗は通常、フォトトランジスタのコレクタと電源電圧 (V_CC) の間に接続されます。その値（例：1kΩ）は出力電圧スイングとスイッチング速度に影響します。
• 環境光:940nmフィルターは役立ちますが、センサーを太陽光や白熱電球などの直接的な環境IR光源から遮蔽する物理的なバリアやハウジングを設計することで信頼性が向上します。
• 応答時間:高速アプリケーションでは、代表的な20μsの立上り/立下り時間を考慮し、駆動回路がそれに対応できることを確認してください。
• 熱管理:特に高温環境では、電力デレーティング曲線に従ってください。

9. 技術比較と差別化

ITR8104はバランスの取れた特性セットを提供します。その940nm波長は可視光ノイズに対する優れた耐性を提供します。並列配置の収束軸設計は明確なセンシングギャップを提供し、エッジ検出や精密な物体位置決めに適しています。高速な20μsの応答時間により、中速のカウントやエンコーディングアプリケーションでの使用が可能です。スルーホールパッケージは、振動を受けるアプリケーションに対して堅牢な機械的取り付けを提供します。反射型センサーと比較すると、遮断器はターゲット物体の反射率の影響を受けないため、より明確なオン/オフ信号を提供します。

10. よくある質問 (技術パラメータに基づく)

10.1 IR LEDの代表的な動作電流は？

電気光学特性はI_F= 20mAで規定されており、これは一般的で信頼性の高い動作点です。より高い出力を得るために絶対最大値の50mAまで駆動することもできますが、これは注意深い熱管理を必要とし、長期信頼性を低下させる可能性があります。

10.2 フォトトランジスタの感度はどの程度ですか？

重要なパラメータはI_C(ON)であり、IR LEDを20mAで駆動し、V_CE=5Vのときに少なくとも0.5mAであることが保証されています。これは、適切なプルアップ抵抗を持つデジタルスイッチングインターフェースに対して確実な信号を提供します。

10.3 透明な物体の検知に使用できますか？

いいえ。ITR8104は、赤外線ビームを完全に遮断する不透明な物体を検出するように設計されています。透明または半透明の材料は十分なIR光を通す可能性があり、フォトトランジスタを完全にオフにすることができません。

10.4 物体検知におけるエミッタとディテクタ間の推奨ギャップは？

データシートは最大ギャップを規定していません。有効なギャップは、アライメントとIR LEDの強度によって決まります。確実な動作のためには、物体が両素子間の収束光路を完全に占有する必要があります。代表的な検知距離は、機械的ハウジングによって定義される数ミリメートルです。

11. 実践的な設計と使用事例

事例: プリンターでの紙詰まり検知
ITR8104は用紙通路を横切るように取り付けられます。マイクロコントローラのピンが150Ωの抵抗を介してIR LEDを駆動します（3.3VでI_Fを約20mAに制限）。フォトトランジスタのコレクタは、4.7kΩのプルアップ抵抗を介して3.3Vに接続され、マイクロコントローラのデジタル入力ピンに接続されます。用紙あり状態では、用紙がビームを遮断し、フォトトランジスタはオフになり、入力ピンはプルアップを介してHIGHを読み取ります。用紙通路が空いているときは、IR光がフォトトランジスタに到達し、オンにして入力ピンをLOWにプルダウンします。マイクロコントローラはこのピンを監視します。用紙が予想される時に持続的なHIGH状態は、紙詰まりまたは給紙不良を示します。高速応答時間により紙詰まりが迅速に検出され、940nm波長により室内照明からの誤動作を防止します。

12. 動作原理

ITR8104は変調光検出の原理で動作します。赤外線LEDは940nmの波長で光子を放射します。LEDの反対側に配置されたシリコンフォトトランジスタが受信機として機能します。十分なエネルギーの光子がフォトトランジスタのベース領域に衝突すると、電子-正孔対を生成します。この光生成電流はベース電流として作用し、トランジスタがはるかに大きなコレクタ電流を導通させる原因となります（光電効果とトランジスタ増幅の組み合わせ）。光路内に不透明な物体が存在すると、光子がフォトトランジスタに到達するのを止め、ベース電流をなくし、トランジスタをオフにします。これにより、物体の有無に関連するデジタル出力信号が生成されます。

13. 技術トレンド

光遮断器は、電気機械システムにおける基本的な構成要素であり続けています。現在のトレンドは、小型化（より小さなSMDパッケージ）、よりクリーンなデジタル出力を提供するための追加の信号調整回路（シュミットトリガーや増幅器など）のパッケージ内への統合、および環境汚染物質に対する耐性の向上に焦点を当てています。また、高度なエンコーディングアプリケーション向けのより高速なバリエーションへの傾向もあります。純粋な機械式スイッチと比較して、電気的絶縁、非接触性、および信頼性により、光遮断の基本原理は堅牢であり続けています。