LTH-301-19 フォトインタラプタ データシート - 非接触スイッチング - 技術文書

1. 製品概要

LTH-301-19は、信頼性の高い物体検出や位置検出を必要とするアプリケーション向けに設計された、コンパクトな非接触スイッチングデバイスです。赤外線発光ダイオード（IR LED）とフォトトランジスタを対にした原理で動作します。エミッタとディテクタ間の赤外線ビームが物体によって遮断されると、フォトトランジスタの出力状態が変化し、スイッチング信号を提供します。このデバイスは、直接PCB実装またはデュアルインチラインソケットでの使用に適しており、様々な産業用および民生用電子機器アプリケーション向けの高速で信頼性の高いソリューションを提供します。

2. 技術パラメータの詳細解釈

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が発生する可能性のある限界値を定義します。IRダイオードは、連続順方向電流60 mA、逆電圧5 Vに耐えます。フォトトランジスタのコレクタ電流は20 mA、消費電力は100 mWに制限されています。IRダイオードについては、パルス条件下（パルス幅10 μs、300 pps）でピーク順方向電流1 Aが許容されます。デバイスの動作温度範囲は-25°Cから+85°C、保管温度範囲は-40°Cから+100°Cです。リードはんだ付け温度は、本体から1.6mmの位置で測定した場合、5秒間260°Cを超えてはなりません。

2.2 電気的・光学的特性

このセクションでは、周囲温度25°Cにおける標準動作条件下でのデバイスの性能を詳細に説明します。

2.2.1 入力LED特性

IR LEDの順方向電圧（VF）は、順方向電流（IF）20mAにおいて、標準値1.6V、最大1.6Vです。逆電流（IR）は、逆電圧（VR）5Vにおいて最大100 μAです。

2.2.2 出力フォトトランジスタ特性

コレクタ-エミッタ降伏電圧（V(BR)CEO）は最小30Vです。エミッタ-コレクタ降伏電圧（V(BR)ECO）は最小5Vです。コレクタ-エミッタ暗電流（ICEO）は、VCE=10Vにおいて最大100 nAであり、LEDがオフの時のリーク電流を示します。

2.2.3 カプラ特性

コレクタ-エミッタ飽和電圧（VCE(SAT)）は、フォトトランジスタが飽和状態に駆動された時（IC=70μA、IF=1.4mA）に最大0.4Vです。オン状態コレクタ電流（IC(ON)）は、VCE=3.3V、IF=1.4mAにおいて標準70 μAであり、VCE=5V、IF=20mAでは10 mAに達することができ、異なる駆動条件下でのデバイスの感度と出力能力を示しています。

2.2.4 応答時間

スイッチング速度は、立ち上がり時間（tr）と立ち下がり時間（tf）で特徴付けられます。標準の立ち上がり時間は3 μs（最大15 μs）、標準の立ち下がり時間は4 μs（最大20 μs）であり、特定の試験条件（VCE=5V、Ic=2mA、RL=100Ω）下で測定されます。これは、高速検出のためのデバイスの能力を定義します。

3. 機械的・パッケージ情報

3.1 パッケージ寸法

このデバイスは、標準的なスルーホールパッケージを採用しています。特に断りのない限り、すべての寸法はミリメートル単位で規定され、デフォルト公差は±0.25mmです。正確な寸法図はデータシートに記載されており、PCBレイアウトのための本体サイズ、リード間隔、全体のフットプリントが詳細に示されています。

3.2 極性識別

正しい向きは非常に重要です。データシートには、IR 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を明確に示す図が含まれています。デバイスを誤って取り付けると、誤動作や損傷の原因となります。

4. 性能曲線分析

データシートには、特に断りのない限り周囲温度25°Cでプロットされた、代表的な電気的・光学的特性曲線が含まれています。これらのグラフは、表に示された最小値、標準値、最大値を超えたデバイスの動作を理解するために不可欠です。

4.1 伝達特性

曲線は、様々なコレクタ-エミッタ電圧（VCE）における入力LED順方向電流（IF）と出力フォトトランジスタコレクタ電流（IC）の関係を示している可能性があります。これは、利得の重要なパラメータである電流伝達率（CTR）を示しています。

4.2 出力飽和特性

異なるIFレベルに対するVCE(SAT)とICの関係を示すグラフは、フォトトランジスタが完全にオンの時の出力電圧レベルを設計者が理解するのに役立ち、ロジック回路とのインターフェースに重要です。

4.3 温度依存性

主要なデータは25°Cですが、特性曲線は暗電流（ICEO）や出力電流などのパラメータが温度とともにどのように変化するかを示しており、指定された動作範囲全体で安定したシステムを設計するために重要です。

5. はんだ付け・実装ガイドライン

5.1 はんだ付けパラメータ

絶対最大定格では、リードは260°Cで最大5秒間はんだ付け可能であり、温度はプラスチックハウジングから1.6mm（0.063インチ）の位置で測定する必要があると規定されています。これは、内部部品とプラスチックパッケージへの熱損傷を防ぐために重要です。

5.2 取り扱い・保管

デバイスは、指定された温度範囲-40°Cから+100°C内で保管する必要があります。半導体接合部への損傷を防ぐため、取り扱いおよび組立時には標準的なESD（静電気放電）対策を講じる必要があります。

6. アプリケーション提案

6.1 代表的なアプリケーション例

LTH-301-19は、プリンター（用紙詰まり検出、トナー残量）、コピー機、自動販売機（硬貨・物体検出）、産業オートメーション（位置検出、リミットスイッチ）、民生用電子機器における非接触センシングに最適です。その高速スイッチング速度は、カウントや速度測定アプリケーションにも適しています。

6.2 設計上の考慮点

電流制限抵抗：IR LEDの順方向電流（IF）を安全な値（通常、試験条件の1.4mAと絶対最大値60mAの間）に制限するために、外部抵抗を直列に使用する必要があります。これにより、輝度と寿命のバランスを取ります。
負荷抵抗：フォトトランジスタのコレクタに接続する負荷抵抗（RL）の値は、出力電圧振幅と応答時間の両方に影響します。RLが小さいほどスイッチングは速くなりますが、出力電圧振幅は小さくなります。
環境光：赤外線デバイスであるため、可視環境光の影響を受けにくいです。しかし、重要なアプリケーションでは、機械的シールドや変調・復調技術を用いてノイズ耐性を向上させることができます。
アライメント：最適な性能と最大検出距離を得るためには、エミッタとディテクタのスロット間の正確な機械的アライメントが必要です。

7. 技術比較・差別化

機械式スイッチと比較して、LTH-301-19は非接触動作という重要な利点を提供し、摩耗がなく、寿命が長く、静粛動作が可能で、より高い潜在的なスイッチング速度を実現します。他の光学センサーと比較して、その統合スロット型パッケージは内蔵光路を提供し、機械設計を簡素化し、個別のエミッタとディテクタ部品に比べてアライメントの信頼性を向上させます。規定された飽和電圧（VCE(SAT)<0.4V）は、低電圧ロジック回路との良好な互換性を保証します。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

Q: 暗電流（ICEO）パラメータの目的は何ですか？
A: 暗電流は、IR LEDからの光が入射していない時（つまり、ビームが遮断されているか、LEDがオフの時）にフォトトランジスタを流れる小さなリーク電流です。低い暗電流（最大100 nA）が望ましく、これによりオフ状態の電流が最小限に抑えられ、スイッチのオン状態とオフ状態の区別がより明確になります。

Q: LEDの電流制限抵抗の値はどのように選べばよいですか？
A: オームの法則を使用します：R = (Vcc - VF) / IF。Vccは供給電圧、VFはLED順方向電圧（設計マージンとして1.6Vを使用）、IFは希望の動作電流（例：最大出力のための20mA）です。抵抗で計算される消費電力がその定格内であることを確認してください。

Q: このセンサーは屋外で使用できますか？
A: 動作温度範囲は-25°Cから+85°Cであり、多くの環境をカバーしています。しかし、直射日光には強力な赤外線放射が含まれており、センサーを飽和させる可能性があります。ほこりや湿気に対する環境シールはパッケージ仕様の一部ではなく、別途考慮する必要があります。

Q: 検出距離やギャップに影響を与える要因は何ですか？
A: 検出ギャップは、LED駆動電流（IF）、フォトトランジスタの感度、アライメント、およびビームを遮断する物体の不透明度に影響されます。データシートは最大ギャップを規定していません。特定の物体と必要な信号マージンに対して、経験的に決定する必要があります。

9. 実用例

ケース：デスクトッププリンターにおける用紙検出。LTH-301-19は、用紙経路がそのスロットを通るように取り付けることができます。プルアップ抵抗を設定したマイクロコントローラのGPIOピンが、フォトトランジスタのコレクタを監視します。用紙がない時は、赤外線ビームがディテクタに到達し、フォトトランジスタをオンにしてコレクタ電圧を低く（VCE(SAT)付近に）します。用紙がスロットに入ると、ビームを遮断し、フォトトランジスタをオフにし、プルアップ抵抗がコレクタ電圧をVccまで高くします。マイクロコントローラはこの電圧遷移を検出して用紙の存在を確認したり、用紙切れアラートをトリガーしたりします。高速応答時間により、高速で動く用紙でも確実に検出できます。

10. 動作原理の紹介

LTH-301-19は、U字型プラスチックパッケージに収められた透過型光学センサーです。片側には、通常約940nmの波長の光を発する赤外線発光ダイオード（IR LED）があります。スロットの反対側には、シリコンNPNフォトトランジスタが受信機として配置されています。フォトトランジスタは、そのベース領域に入射する光が電子-正孔対を生成し、これがベース電流として作用して、はるかに大きなコレクタ-エミッタ電流を制御するように設計されています。スロット内に物体がない時は、IR LEDからの光がフォトトランジスタに当たり、導通状態（ON状態）になります。物体がスロットに入ると、光路を遮断し、フォトトランジスタへの光を大幅に減少させ、導通を停止させます（OFF状態）。この出力電流/電圧の変化がスイッチング信号として使用されます。

11. 技術トレンド

LTH-301-19のようなフォトインタラプタは、成熟した信頼性の高い技術を代表しています。この分野の現在のトレンドには、高密度PCB実装のためのパッケージの小型化、自動組立を容易にする表面実装デバイス（SMD）バージョンの開発、クリーンなデジタル出力信号を提供しノイズ耐性を向上させるためのシュミットトリガや増幅器などの追加回路をパッケージ内に統合することが含まれます。また、LED効率とフォトトランジスタ感度を最適化することにより、特にバッテリー駆動アプリケーション向けに消費電力の低減に焦点が当てられています。さらに、一部の高度なバリエーションでは、符号化位置検出や冗長性を提供するために、単一パッケージ内に複数のエミッタやディテクタを組み込んでいます。