LTH-301-32 フォトインタラプタ データシート - スロット型光センサ - コレクタ・エミッタ間電圧 30V - 技術文書

1. 製品概要

LTH-301-32は、一般的にフォトインタラプタとして知られるスロット型光センサです。これは、赤外線発光ダイオード（IR LED）とフォトトランジスタを一つのパッケージ内に組み合わせ、物理的な隙間で隔てた非接触検出デバイスです。その中核機能は、このスロットを通過する物体（ベーンやフラグなど）の有無を検出し、赤外線ビームを遮断することです。これにより、物理的な接触を必要とせず、機械的な摩耗を排除し、高速動作を可能にする位置検出、リミットスイッチング、物体検出を必要とするアプリケーションに最適です。

本デバイスは、プリント基板（PCB）への直接実装または標準的なデュアル・インライン（DIP）ソケットへの挿入を想定して設計されており、組み立てと統合の柔軟性を提供します。その主な利点には、信頼性の高い非接触スイッチング、機械的なバウンスの影響を受けないこと、デジタルシステムに適した高速な応答時間が含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

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生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• IRダイオード連続順方向電流（I_F)）： 60 mA。これは赤外線LEDに流すことができる最大の定常状態電流です。
• IRダイオード逆電圧（V_R)）： 5 V。LEDにかかるこの逆バイアス電圧を超えると、破壊を引き起こす可能性があります。
• トランジスタコレクタ電流（I_C)）： 20 mA。出力フォトトランジスタのコレクタが扱える最大連続電流です。
• トランジスタ電力損失（P_D)）： 75 mW。フォトトランジスタが消費できる最大電力で、V_CE* I_C.
• IRダイオードピーク順方向電流）： 1 A（パルス幅 = 10 μs、300 pps）。これは、より高い瞬時光出力を得るための短時間の高電流パルスを可能にし、ノイズ耐性に有用ですが、デューティサイクルは厳密に遵守する必要があります。
• ダイオード電力損失）： 100 mW。IR LEDが消費できる最大電力（V_F* I_F）。
• フォトトランジスタコレクタ・エミッタ間電圧（V_CEO)）： 30 V。フォトトランジスタのコレクタとエミッタ間に印加できる最大電圧です。
• フォトトランジスタエミッタ・コレクタ間電圧（V_ECO)）： 5 V。エミッタとコレクタ間の最大逆電圧です。
• 動作温度範囲）： -25°C ～ +85°C。信頼性のある動作のための周囲温度範囲です。
• 保存温度範囲）： -40°C ～ +100°C。
• リードはんだ付け温度）： ケースから1.6mmの位置で測定し、260°Cで5秒間。これはリフローまたは手はんだ付けのプロファイル限界を定義します。

2.2 電気的・光学的特性

これらのパラメータは周囲温度（T_A）25°Cで規定され、典型的な動作性能を定義します。

2.2.1 入力LED特性

• 順方向電圧（V_F)）： I_F= 20mA時、1.2V（最小）、1.6V（標準）。これは、典型的な動作電流で駆動したときのIR LED両端の電圧降下です。LEDには直列に電流制限抵抗が必要です。
• 逆電流（I_R)）： V_R= 5V時、100 μA（最大）。LEDが逆バイアスされたときの小さなリーク電流です。

2.2.2 出力フォトトランジスタ特性

• コレクタ・エミッタ間降伏電圧（V_(BR)CEO)）： 30V（最小）。絶対最大定格と関連します。
• エミッタ・コレクタ間降伏電圧（V_(BR)ECO)）： 5V（最小）。
• コレクタ・エミッタ間暗電流（I_CEO)）： V_CE=10V時、100 nA（最大）。これは光が入射していないとき（すなわち、スロットが遮られているとき）のフォトトランジスタのリーク電流です。これはオフ状態の信号レベルを決定します。

2.2.3 カプラー（システム）特性

これらのパラメータは、LEDとフォトトランジスタの組み合わせた動作を記述します。

• コレクタ・エミッタ間飽和電圧（V_CE(SAT))）： I_C=0.2mA、I_F=20mA時、0.4V（最大）。これはフォトトランジスタが完全にオン状態（光路が遮られていない）のときの両端電圧です。低いV_CE(SAT)は、論理回路とのインターフェースにとって有利です。
• オン状態コレクタ電流（I_C(ON))）： V_CE=5V、I_F=20mA時、0.6 mA（最小）。これは光路が開いているときに生成される最小の光電流です。実際の電流はこれより高くなることがあり、LED駆動電流とデバイスのゲインに依存します。
• 応答時間）： これはスイッチング速度を定義します。
  • 立ち上がり時間（t_r)）： 3 μS（標準）、15 μS（最大）。光束が遮られていないときに、出力が最終値の10%から90%に変化するまでの時間です。
  • 立ち下がり時間（t_f)）： 4 μS（標準）、20 μS（最大）。光束が遮られたときに、出力が最終値の90%から10%に変化するまでの時間です。
  これらの時間は特定の条件（V_CE=5V、I_C=2mA、R_L=100Ω）で測定され、物体検出の最大周波数を決定します。

3. 性能曲線分析

データシートは、主要な関係を図示する典型的な性能曲線を参照しています。本文中に具体的なグラフは提供されていませんが、その典型的な内容と解釈は以下の通りです：

3.1 伝達特性

一定のコレクタ・エミッタ間電圧（例：V_C=5V）における、出力コレクタ電流（I_F）対入力LED順方向電流（I_CE）のグラフ。この曲線は電流伝達比（CTR）の傾向を示し、これはI_C/ I_Fの比率です。これは設計者が、所定の負荷または論理閾値に対して望ましい出力電流レベルを達成するために適切なLED駆動電流を選択するのに役立ちます。

3.2 温度依存性

I_C(ON)や暗電流（I_CEO）などのパラメータが動作温度範囲（-25°C ～ +85°C）でどのように変化するかを示す曲線。フォトトランジスタのゲインは通常、温度の上昇とともに減少し、暗電流は増加します。これらの変化を理解することは、全温度範囲にわたって安定したシステムを設計するために重要であり、多くの場合、選択したI_Fと閾値検出レベルにマージンを設ける必要があります。

3.3 出力飽和電圧

異なるI_{値に対するV}CE(SAT)_C対I_Fのプロット。これはトランジスタがオンのときの最小電圧降下を決定し、低電圧論理ファミリとの互換性を確保するために不可欠です。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法

LTH-301-32は、標準的なコンパクトなDIPスタイルのパッケージです。データシートからの主要な寸法注記：

• すべての寸法はミリメートルで提供され、括弧内にインチが記載されています。
• 特定の特徴に異なる指示がない限り、デフォルトの公差は±0.25mm（±0.010"）です。

パッケージは精密なスロットを持つ成形ボディを特徴とします。リードは標準的な0.1"（2.54mm）ピッチで、DIPソケットおよびPCBレイアウトと互換性があります。正確な長さ、幅、高さ、スロット幅、およびリード位置は、データシートで参照される寸法図で定義されています。

4.2 極性識別

正しい動作のためには、正しいピン識別が重要です。パッケージは標準的なマーキングを使用します：IR LEDのカソードとフォトトランジスタのエミッタは通常、共通ピンに接続されているか、隣接しています。データシートのピン配置図を参照して以下を識別する必要があります：

1. IR LEDのアノード。
2. IR LEDのカソード。
3. フォトトランジスタのコレクタ。
4. フォトトランジスタのエミッタ。

誤った接続は動作を妨げたり、デバイスを損傷させる可能性があります。

5. はんだ付け・組み立てガイドライン

5.1 はんだ付けプロファイル

絶対最大定格は、プラスチックケースから1.6mmの位置で測定し、260°Cで5秒間のリードはんだ付けを規定しています。これはフローはんだ付けまたは手はんだ付けのための重要なパラメータです。

• リフローはんだ付け： リフロー工程で使用する場合、ピーク温度が260°Cを超えず、240°C（T_L）以上の時間が10秒未満のプロファイルが一般的に推奨されます。プラスチックボディは熱ストレスに敏感です。
• 手はんだ付け： 温度制御されたはんだごてを使用してください。ボディではなくリードに熱を加え、リードごとに3-5秒以内に接合を完了し、熱がパッケージに浸透するのを避けてください。

5.2 洗浄・取り扱い

イソプロピルアルコールまたは類似の溶剤を使用した標準的なPCB洗浄プロセスは通常問題ありません。確認されていない限り、超音波洗浄は避けてください。プラスチックや内部ダイボンドに微細なクラックを引き起こす可能性があります。シールへの機械的ストレスを防ぐため、リードではなくボディを持ってデバイスを取り扱ってください。

5.3 保管条件

指定された保存温度範囲（-40°C ～ +100°C）内の乾燥した静電気防止環境で保管してください。湿気感受性レベル（MSL）は提供された本文では明示されていませんが、長期保管のためには、部品を元の防湿バッグに入れておくことが良い習慣です。

6. アプリケーション提案

6.1 典型的なアプリケーション回路

最も一般的な構成は、フォトインタラプタをデジタルスイッチとして使用することです。

1. LED駆動回路： 電流制限抵抗（R_LIMIT）をIR LEDと直列に接続します。R_LIMIT= (V_CC- V_F) / I_F。5V電源、I_F=20mAの場合、R_LIMIT≈ (5V - 1.6V) / 0.02A = 170Ω（標準値180Ωを使用）。
2. フォトトランジスタ出力回路： フォトトランジスタは、2つの一般的な構成で使用できます：
   • プルアップ抵抗構成： 抵抗（R_LOAD）をコレクタからV_CCに接続します。エミッタはグランドに接続します。出力はコレクタから取り出します。光が遮られると、トランジスタはオフになり、出力はハイ（V_CC）にプルアップされます。光があると、トランジスタがオンになり、出力をロー（V_CE(SAT)付近）にプルダウンします。R_LOADの値は、望ましいI_Cと速度に基づいて選択されます；1kΩから10kΩが一般的です。
   • 電流-電圧変換構成： フォトトランジスタをエミッタ共通構成で接続し、トランスインピーダンス設定のオペアンプと組み合わせて光電流を正確な電圧に変換します。これはアナログ検出に使用されます。

6.2 設計上の考慮事項

• ノイズ耐性： 環境光（特に赤外線）がある環境では、変調されたLED駆動信号と同期検出を使用するか、スロットが物理的に遮蔽されていることを確認してください。
• チャタリング除去： デバイス自体には機械的なバウンスはありませんが、検出対象物がスロット内でチャタリングする可能性がある場合、出力信号にはソフトウェアによるチャタリング除去が必要になることがあります。
• 対象物の材質： ビームを遮断する物体は、赤外線に対して不透明でなければなりません。薄いまたは半透明の材料は確実に検出されない可能性があります。
• 位置合わせ： スロットを通過する物体の正確な機械的位置合わせは、一貫した動作のために必要です。

6.3 一般的なアプリケーションシナリオ

• プリンター・コピー機： 用紙切れ検出、トナー残量検知、キャリッジ位置原点復帰。
• 産業オートメーション： リニアアクチュエータのリミットスイッチ、コンベアベルト上の部品存在検出、回転軸のベーン検知（タコメーター）。
• 民生電子機器:
• セキュリティシステム： ドア/窓の位置検知。
• 自動販売機： 硬貨または商品排出確認。

7. 技術比較・選定ガイド

フォトインタラプタを選定する際の主要な差別化要因には以下が含まれます：

• スロット幅・ギャップ： 検出可能な物体のサイズを決定します。LTH-301-32には特定のスロット寸法があります。
• 出力タイプ： フォトトランジスタ（本デバイス）対 フォトダーリントン（高ゲイン、低速）対 論理出力（内蔵シュミットトリガー）。
• 電流伝達比（CTR）： 高いCTRは、所定の入力電流に対してより多くの出力電流を提供し、より大きな値のプルアップ抵抗またはより長いケーブル配線を可能にします。
• 速度（t_r、t_f)）： 高速カウントまたはエンコーディングアプリケーションにとって重要です。
• パッケージ・実装方法： スルーホール（DIP）対 表面実装（SMD）。LTH-301-32はスルーホールデバイスです。
• 動作電圧： V_(BR)CEOが30Vであるため、3.3Vから24Vシステムまで幅広い電源電圧とのインターフェースが可能です。

LTH-301-32は、汎用的で信頼性が高く、広範な中速デジタル検出アプリケーションに適したバランスの取れた特性セットを備えたデバイスとして位置づけられています。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）

8.1 LEDのピーク順方向電流定格の目的は何ですか？

1Aのピーク定格により、LEDはDC定格（60mA）よりもはるかに高い電流でパルス駆動することができます。これはより明るい光パルスを生成するために使用でき、ノイズの多い環境での信号対雑音比を改善したり、低いデューティサイクルで電力節約を可能にしたりします。過熱を防ぐため、パルス幅（10μs）と繰り返し周波数（300 pps）の厳格な制限を遵守する必要があります。

8.2 プルアップ抵抗（R_LOAD）の値はどのように選定しますか？

選択には、消費電力、スイッチング速度、ノイズ耐性のトレードオフが伴います。小さい抵抗（例：1kΩ）は、より速い立ち上がり時間（RC時定数が小さい）とより良いノイズ耐性を提供しますが、トランジスタがオンのときに多くの電流を消費します（I_C= V_CC/R_LOAD）。大きい抵抗（例：10kΩ）は電力を節約しますが、速度が遅く、ノイズの影響を受けやすくなります。最小供給電圧において、選択したR_LOADが、最小I_CC(ON)_{を考慮して、出力を受信回路の論理ロー閾値以下に引き下げるのに十分なI} specification.

8.3 応答時間が負荷抵抗（R_L=100Ω）で規定されているのはなぜですか？

フォトトランジスタのスイッチング速度は、その接合容量と充放電する抵抗によって制限されます。小さな負荷抵抗（100Ω）で規定することで、デバイスの固有の速度限界を示しています。実際の回路では、より大きなプルアップ抵抗を使用するため、より大きなRC時定数（t_rise≈ R_LOAD* C）により立ち上がり時間は遅くなります。立ち下がり時間は主にデバイス内部のキャリア再結合によって支配され、外部抵抗への依存度は低くなります。

8.4 温度は動作にどのように影響しますか？

温度が上昇すると：

• フォトトランジスタのゲイン（したがってI_C(ON)）が減少します。補償するためにI_Fを増やす必要があるかもしれません。
• 暗電流（I_CEO）が増加します。これによりオフの電圧レベルが上昇し、検出閾値が厳しすぎる場合に誤動作を引き起こす可能性があります。
• LEDの順方向電圧（V_F）がわずかに減少します。

広い温度範囲での設計では、これらの変化を考慮に入れる必要があり、多くの場合、使用可能なI_C(ON)を減額し、I_CEO.

9. 動作原理

フォトインタラプタは、光電結合の原理に基づいて動作します。デバイスは一つのハウジング内に二つの独立したコンポーネント、すなわち赤外線発光ダイオード（IR LED）とシリコンフォトトランジスタを含みます。これらは隙間（スロット）を挟んで向かい合っています。IR LEDに電力を供給すると、目に見えない赤外線を発光します。この光はスロットを横切り、フォトトランジスタのベース領域に当たります。光子はベース内で電子-正孔対を生成し、これがベース電流として作用してトランジスタをオンにします。これにより、外部回路によって制限されるはるかに大きなコレクタ電流が流れます。

不透明な物体がスロットに挿入されると、光路が遮断されます。ベース電流の光生成が停止し、フォトトランジスタがオフになり、コレクタ電流が停止します。したがって、出力の電気的状態（オン/オフ）は、スロットの機械的状態（開通/遮断）によって直接制御され、入力（LED側）と出力（トランジスタ側）の間に電気的接触は一切ありません。これにより、通常数百ボルトから数千ボルトの範囲で優れた電気的絶縁が提供されます。

10. 業界動向と背景

LTH-301-32のようなフォトインタラプタは、成熟した基本的なセンシング技術を代表しています。この分野に影響を与える主要な動向には以下が含まれます：

• 小型化： 現代の電子機器でPCBスペースを節約するための、より小さな表面実装デバイス（SMD）パッケージへの強い需要。
• 統合:
• 高速化： 高分解能エンコーダやデータ通信アプリケーションのための、より高速な応答時間（ナノ秒範囲）を持つデバイスの開発。
• 精度向上： より正確な位置検出のための、スロット寸法と光学的な位置合わせの公差の厳密化。
• 代替技術： フォトインタラプタは、ホール効果センサ（磁気検出用）、静電容量センサ、小型超音波センサなどの他の非接触センサとの競争に直面しています。選択は、対象物の材質、必要な精度、環境条件、およびコストによって異なります。

これらの動向にもかかわらず、基本的なスルーホール型スロット光センサは、堅牢性、電気的絶縁、およびシンプルなデジタル出力が最も重要である無数のアプリケーションにおいて、非常にコスト効率が高く、信頼性が高く、使いやすいソリューションであり続けています。