フォトインタラプタ LTH-872-N55H データシート - スロット型 - 外形寸法 4.0mm - 電圧 5V - 日本語技術文書

1. 製品概要

LTH-872-N55Hは、非接触検出およびスイッチング用途に使用される基本的な光電子部品であるスロット型フォトインタラプタです。赤外線発光ダイオード（LED）とフォトトランジスタを一つの筐体内に統合し、物理的な隙間（スロット）で隔てています。動作原理は単純明快です。物体がこのスロットを通過すると、エミッタから検出器へ向かう赤外線ビームが遮断され、フォトトランジスタの出力状態が対応して変化します。このシンプルかつ信頼性の高いメカニズムにより、物理的な接触なしに物体の存在、不在、位置、速度を検出する理想的なソリューションを実現します。

本デバイスは、直接PCB（プリント基板）実装または標準的なデュアル・インライン・ソケットへの挿入を想定して設計されており、組立や試作における柔軟性を提供します。機械的な接点の摩耗がないため、高い信頼性、高速なスイッチング速度、長い動作寿命が主な利点です。典型的な用途は、プリンター、複写機、スキャナー、ファクシミリ、精密な物体検出を必要とする各種自動化システムなど、オフィスオートメーションおよび産業機器の広範な領域に及びます。

1.1 主な特長

• 非接触スイッチング：機械的な摩耗・消耗を排除し、高い信頼性と長い動作寿命を保証します。
• 多様な実装方法：直接PCBはんだ付けまたは標準デュアル・インライン・ソケットに対応し、様々な回路設計への容易な統合を可能にします。
• 高速応答時間：高速事象の検出を可能にし、プリンターの給紙検出やロータリーエンコーダシステムなど、高速センシングを必要とする用途に適しています。

2. 技術パラメータ：詳細な客観的解釈

データシートは、デバイスの動作限界および標準条件下での性能を定義する重要なパラメータを提供します。これらのパラメータを理解することは、適切な回路設計と長期信頼性の確保に不可欠です。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、これを超えるとデバイスに永久的な損傷を与える可能性のあるストレスの限界を規定します。通常動作条件ではありません。

• 入力LED：
  • 電力損失（P_D）：最大75 mW。これはLEDが安全に熱として放散できる総電力です。
  • 連続順方向電流（I_F）：最大50 mA。この値を超える連続電流でLEDを駆動してはいけません。
  • 逆電圧（V_R）：最大5 V。これより高い逆電圧を印加すると、LED接合部が破壊される可能性があります。
• 出力フォトトランジスタ：
  • 電力損失（P_D）：フォトトランジスタで最大100 mW。
  • コレクタ-エミッタ間電圧（V_CEO）：最大30 V。これは、ベース（光入力）がオープンの状態でコレクタとエミッタ間に印加できる最大電圧です。
  • エミッタ-コレクタ間電圧（V_ECO）：最大5 V。これはコレクタ-エミッタ接合部の逆電圧定格です。
  • コレクタ電流（I_C）：最大20 mA。フォトトランジスタを流れる負荷電流はこの制限値を下回る必要があります。
• 環境：
  • 動作温度範囲（T_A）：-25°C から +85°C。この周囲温度範囲内で仕様通りの動作が保証されます。
  • 保存温度範囲（T_stg）：-40°C から +100°C。
  • リードはんだ付け温度：リード形状ケース1.6mm (0.063インチ)の場合、最大260°Cで5秒間。リフローまたはフローはんだ付けプロセスにおいて重要な仕様です。

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における典型的な動作条件下でのデバイスの性能を定義します。

• 入力LED特性：
  • 順方向電圧（V_F）：順方向電流（I_F）20 mAにおいて、標準1.2V、最大1.6V。このパラメータはLED駆動回路の電流制限抵抗値を計算するために使用されます：R = (V_CC- V_F) / I_F.
  • 逆電流（I_R）：逆電圧（V_R）5Vにおいて最大100 µA。これは逆バイアス時のLEDのリーク電流を示します。
• 出力フォトトランジスタ特性：
  • コレクタ-エミッタ暗電流（I_CEO）：V_CE= 10Vにおいて最大100 nA。これはLEDがオフのとき（フォトトランジスタに光が入射していないとき）のリーク電流です。特に低照度または高利得の用途では、良好な信号対雑音比を得るために低い暗電流が望まれます。
• カプラ（システム）特性：
  • コレクタ-エミッタ飽和電圧（V_CE(SAT)）：フォトトランジスタが完全にオン状態（I_C= 0.25 mA, I_F= 20 mA）のとき最大0.4V。出力がロジック入力や他の低電圧回路を駆動する際には、論理\"LOW\"レベルを定義するため、低い飽和電圧が重要です。
  • オン状態コレクタ電流（I_C(ON)）：V_CE= 5V、I_F= 20 mAにおいて最小2.0 mA。これはLEDを標準電流で駆動し、ビームが遮られていないときに保証される最小出力電流です。このパラメータは、比率I_C/I_Fとして表される場合\"電流伝達率\"（CTR）と呼ばれ、カプラの感度を定義します。ここでの最小CTRは（2.0 mA / 20 mA）= 0.1 または 10% です。
  • 応答時間：
    • 立ち上がり時間（T_r）：標準3 µs、最大15 µs。入力LEDがオンになったとき、出力が最終値の10%から90%に遷移するまでの時間です。
    • 立ち下がり時間（T_f）：標準4 µs、最大20 µs。入力LEDがオフになったとき、出力が最終値の90%から10%に遷移するまでの時間です。これらの高速スイッチング速度により、高速移動する物体の検出が可能になります。

3. 機械的仕様およびパッケージ情報

LTH-872-N55Hは、容易なPCB統合のために設計された標準的なスルーホールパッケージを採用しています。

3.1 外形寸法

データシートには詳細な機械図面が記載されています。主要寸法には、検出可能な物体のサイズを定義する全体的なスロット幅、およびPCBレイアウトのためのピン間隔が含まれます。特に断りのない限り、すべての寸法は標準公差±0.25 mmでミリメートル（mm）単位で規定されています。図面には通常、上面図、側面図、およびピン識別（エミッタアノード、エミッタカソード、コレクタ、エミッタ）が示されています。

3.2 極性識別およびピン配置

正しい極性はデバイス動作に不可欠です。パッケージにはピン1を識別するためのマーキングまたは特定のピン形状（平らな側面や切り欠きなど）があります。4ピンフォトインタラプタの標準的なピン配置は以下の通りです：ピン1 - IR LEDのアノード、ピン2 - IR LEDのカソード、ピン3 - フォトトランジスタのエミッタ、ピン4 - フォトトランジスタのコレクタ。PCBフットプリントを設計する前に、LTH-872-N55Hの正確なピン割り当てを確認するため、常にデータシートの図面を参照してください。

4. はんだ付けおよび組立ガイドライン

4.1 はんだ付けプロセス

本デバイスは、リードはんだ付け温度最大260°Cで5秒間の定格を持ちます。この仕様は、フローはんだ付けまたはリフロープロセスにおいて重要です。この温度または時間を超えると、内部の半導体接合部やプラスチック筐体が損傷する可能性があります。スルーホール部品のはんだ付けについては、標準的なIPCガイドラインに従うことを推奨します。

4.2 取り扱いおよび保管

提供された抜粋には明示的に詳細は記載されていませんが、一般的なベストプラクティスが適用されます：指定された保存温度範囲（-40°C から +100°C）内で、乾燥した静電気防止環境に部品を保管してください。リフロー時の\"ポップコーン現象\"を防ぐため、はんだ付け前にデバイスを過度の湿気にさらさないようにしてください（ただし、これは表面実装デバイスにより重要です）。

5. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

5.1 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。シンプルな回路は以下の通りです：
1. LED駆動回路：赤外線LEDと電流制限抵抗を直列に接続し、電源（例：5V）に接続します。抵抗値を設定して所望のI_F（例：20 mA）を達成します。例：R_limit= (5V - 1.2V) / 0.02A = 190Ω（標準200Ω抵抗を使用）。
2. フォトトランジスタ出力回路：フォトトランジスタのコレクタから電源（例：5V）へプルアップ抵抗（R_L）を接続します。エミッタはグランドに接続します。光路が開いているとき、フォトトランジスタは導通し、コレクタ電圧（出力）をLowに引き下げます。ビームが遮断されると、フォトトランジスタはオフになり、プルアップ抵抗によって出力がHighに引き上げられます。R_Lの値はスイッチング速度と消費電流に影響します。値が小さいほど速度は速くなりますが、電力損失は大きくなります。データシートの試験条件ではR_L= 100Ωを使用しています。

5.2 設計上の考慮事項

• 環境光耐性：本デバイスは赤外線を使用するため、可視環境光に対してある程度の耐性があります。しかし、強い赤外線源（太陽光、一部のランプ）は干渉を引き起こす可能性があります。変調されたLED信号と対応する復調回路を使用することで、ノイズ耐性を大幅に向上させることができます。
• アライメント：エミッタと検出器はスロットを挟んで正確に位置合わせされていなければなりません。機械的筐体がこのアライメントを保証しますが、PCB設計では部品を正しく配置する必要があります。
• 物体特性：ビームを遮断する物体は、赤外線に対して不透明である必要があります。透明または高反射性の材料は、確実に検出されない可能性があります。
• チャタリング除去：機械的システム（例：チョッパホイールの検出）では、物体がスロットに入るまたは出る際に出力信号がチャタリングする可能性があります。クリーンなデジタル信号を得るために、ソフトウェアまたはハードウェアによるチャタリング除去技術を採用すべきです。

6. 性能曲線分析

データシートには\"典型的な電気的・光学的特性曲線\"が記載されています。抜粋には具体的な曲線は示されていませんが、このようなデバイスの典型的なプロットには以下が含まれます：

• 順方向電流 vs. 順方向電圧（I_F-V_F）：IR LEDの非線形関係を示し、ドライバ設計に重要です。
• コレクタ電流 vs. コレクタ-エミッタ間電圧（I_C-V_CE）：入射光強度（またはI_F）をパラメータとする曲線群で、トランジスタの出力特性に類似しています。
• 電流伝達率（CTR） vs. 順方向電流（I_F）：LED駆動電流に対する感度の変化を示します。
• 電流伝達率（CTR） vs. 周囲温度：CTRが一般的に温度上昇とともに低下することを示す重要な曲線です。設計者は、最高動作温度において必要な最小I_C(ON).
• を保証する十分なマージンを確保する必要があります。_L応答時間 vs. 負荷抵抗（R）：

スイッチング速度と消費電力のトレードオフを示します。

7. 技術比較および差別化

機械的マイクロスイッチと比較して、LTH-872-N55Hは非接触動作により優れた寿命と信頼性を提供します。接点バウンスの影響を受けません。反射型センサーと比較して、スロット型フォトインタラプタは、対象物の色、質感、反射率の影響を受けにくく、ビームの物理的遮断を単純に検出するため、より正確で一貫性のある検出を実現します。フォトインタラプタ自体の主な差別化要因は、スロット寸法、感度（CTR）、応答速度、およびパッケージタイプ（スルーホール vs. 表面実装）です。

8. よくある質問（技術パラメータに基づく）
Q: LEDを50 mA以上で駆動するとどうなりますか？

A: 連続順方向電流の絶対最大定格を超えると、過度の発熱を引き起こし、LEDの光出力の急速な劣化や破壊的故障につながる可能性があります。常に電流制限抵抗を使用してください。
Q: 出力信号にノイズが乗ります。原因は何でしょうか？

A: 考えられる原因には、電源ライン上の電気的ノイズ、環境光（特に50/60 Hzで動作する蛍光灯）からの干渉、または負荷抵抗値が高すぎてノードが高インピーダンスになりノイズの影響を受けやすくなっていることなどがあります。安定した電源を確保し、シールドの検討、より低い値のプルアップ抵抗の使用、または信号変調/復調の実装を検討してください。
Q: 室温では動作しますが、システムが加熱すると動作しなくなります。なぜですか？_{A: フォトトランジスタの感度（CTR）は温度上昇とともに低下します。25°Cで最小限のマージンで動作している可能性があります。最小I}C(ON)

仕様と典型的なCTR vs. 温度曲線を使用して設計を再評価してください。LED駆動電流を（制限内で）増やすか、高温でより高い保証CTRを持つフォトトランジスタを使用する必要があるかもしれません。
Q: 透明な物体の検出に使用できますか？

A: 一般的にはできません。標準的な赤外線フォトインタラプタは、物体が発光波長（通常約940 nm）に対して不透明であることを必要とします。透明なプラスチックやガラスは十分な赤外線を通す可能性があり、確実な検出を妨げます。透明材料には、異なる波長または検出原理を持つ特殊なセンサーが必要です。

9. 実用的な使用例アプリケーション：
デスクトッププリンターにおける用紙詰まり検出実装方法：

LTH-872-N55Hは用紙経路に沿って取り付けられ、用紙がそのスロットを通過します。マイクロコントローラのGPIOピンが電流制限抵抗を介してLEDを駆動します。別のGPIOピン（内部プルアップ抵抗付きで設定）がフォトトランジスタのコレクタの状態を読み取ります。通常動作中、用紙がビームを遮断し、出力は一方の論理状態（例：HIGH）になります。用紙詰まりが発生すると、用紙が詰まったまま（ビーム遮断状態を維持）またはセンサーに到達しない（ビームが遮断されない）状態となり、出力が予期しない状態で長時間続きます。マイクロコントローラのファームウェアはこの信号を監視し、期待されるタイミングシーケンスが侵害された場合に\"用紙詰まり\"エラーメッセージをトリガーします。センサーの高速応答時間により、用紙間の小さな隙間さえも検出でき、精密な給紙監視が可能になります。

10. 動作原理の紹介

フォトインタラプタは、光電変換と遮断の原理に基づいて動作します。内部には、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という2つの分離した部品が一直線上に配置されています。IR LEDは光源として機能します。外部電流によって順方向バイアスがかかると、目に見えない赤外線光子を放出します。フォトトランジスタは光検出器として機能します。そのベース領域は光に敏感です。LEDからの光子がベースに当たると、電子-正孔対が生成され、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、はるかに大きなコレクタ電流を流します。このコレクタ電流は入射光の強度に比例します。スロットはこれら2つの要素を物理的に隔てています。スロットに置かれた物体は光路を遮断し、フォトトランジスタへの入射光を大幅に減少させ、それによってフォトトランジスタをオフ（または電流を減少）させます。この出力電流/電圧の変化が外部回路によって検出され、\"遮断\"として認識されます。

11. 業界動向と発展