LTH-306-09S 포토인터럽터 데이터시트 - 기계식 스위치 대체용 - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

LTH-306-09S는 광선의 차단을 감지하도록 설계된 광전자 소자인 포토인터럽터입니다. 이 소자는 다양한 센싱 응용 분야에서 기존 기계식 스위치를 직접적이고 고체 상태로 대체하는 역할을 합니다. 핵심 장점은 비접촉식 동작에 있으며, 이는 기계적 마모, 접점 바운스, 시간 경과에 따른 물리적 열화와 관련된 문제를 제거합니다. 이로 인해 빈번한 작동이 필요하거나 먼지, 습기, 진동이 기계적 접점을 손상시킬 수 있는 환경에서 작동하는 응용 분야에 매우 높은 신뢰성을 제공합니다. 이 소자는 산업 자동화(위치 감지, 리밋 스위치), 소비자 가전(프린터 용지 감지, 디스크 트레이 감지), 안전 시스템(도어 인터록 감지)을 포함한 광범위한 시장에 적합합니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 절대 최대 정격

이 정격은 소자에 영구적 손상이 발생할 수 있는 응력 한계를 정의합니다. 이러한 조건에서의 동작은 보장되지 않습니다.

• 입력 LED:
  • 전력 소산:75 mW. 이는 지정된 주변 온도에서 LED가 처리할 수 있는 최대 연속 전력입니다.
  • 피크 순방향 전류:1 A (펄스 조건: 300 pps, 10 μs 펄스 폭). 이 정격은 짧고 고강도의 펄스로 LED를 구동할 때 중요합니다.
  • 연속 순방향 전류:50 mA. 신뢰할 수 있는 장기 동작을 위한 최대 DC 전류입니다.
  • 역방향 전압:5 V. 이를 초과하면 LED 접합이 손상될 수 있습니다.
• 출력 포토트랜지스터:
  • 전력 소산:100 mW.
  • 컬렉터-이미터 전압 (V_CE):30 V. 컬렉터와 이미터 사이에 인가할 수 있는 최대 전압입니다.
  • 이미터-컬렉터 전압:5 V.
  • 컬렉터 전류:20 mA. 포토트랜지스터 출력이 싱크할 수 있는 최대 전류입니다.
• 환경:
  • 동작 온도 범위:-25°C ~ +85°C. 정상 소자 기능을 위한 주변 온도 범위입니다.
  • 보관 온도 범위:-40°C ~ +100°C.
  • 리드 솔더링 온도:케이스에서 1.6mm 떨어진 리드 기준 5초간 260°C. 이는 리플로우 솔더링 프로파일 제약을 정의합니다.

2.2 전기적 및 광학적 특성

이 파라미터들은 주변 온도 (T_A) 25°C에서 지정되며, 소자의 대표적인 성능을 정의합니다.

• 입력 LED 특성:
  • 순방향 전압 (V_F):순방향 전류 (I_F) 20 mA에서 일반적으로 1.2V ~ 1.6V. 이는 필요한 전류 제한 저항 값을 계산하는 데 사용됩니다: R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
  • 역방향 전류 (I_R):역방향 전압 5V에서 최대 100 μA.
• 출력 포토트랜지스터 특성:
  • 컬렉터-이미터 암전류 (I_CEO):V_CE=10V에서 최대 100 nA. 이는 LED가 꺼져 있을 때(빛 없음)의 누설 전류입니다. 좋은 신호 대 잡음비를 위해 낮은 값이 바람직합니다.
  • 컬렉터-이미터 포화 전압 (V_CE(SAT)):I_C=0.25mA 및 I_F=20mA에서 일반적으로 0.4V. 이는 포토트랜지스터가 완전히 "켜진" 상태일 때의 전압 강하입니다.
  • 온-상태 컬렉터 전류 (I_C(ON)):V_CE=5V 및 I_F=20mA에서 최소 0.5 mA. 이는 광로가 차단되지 않았을 때의 최소 출력 전류를 지정합니다.
• 커플러 특성:
  • 동작 각도:8° ~ 14°. 이는 출력 상태를 신뢰성 있게 전환하기 위해 필요한 차단 물체(예: 레버 암)의 각도 변위를 정의하는 중요한 파라미터입니다. 더 작은 각도는 움직임에 대한 더 높은 감도를 나타냅니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 대표적인 전기적/광학적 특성 곡선을 참조합니다. 특정 그래프는 본문에 제공되지 않지만, 그들의 표준 목적은 아래에 분석되어 있습니다.

• 순방향 전류 대 순방향 전압 (I_F-V_F곡선):이 그래프는 LED의 전류와 전압 사이의 비선형 관계를 보여줍니다. 설계자가 LED의 동적 저항을 이해하고 안정적인 전류 구동을 보장하는 데 도움이 됩니다.
• 컬렉터 전류 대 컬렉터-이미터 전압 (I_C-V_CE곡선):다른 LED 구동 전류 (I_F)에 대해 그려진 이 곡선들은 포토트랜지스터의 출력 특성을 설명합니다. 이들은 포화 영역(I_C이 상대적으로 일정한 영역)과 선형/능동 영역을 보여주며, 아날로그 센싱 응용에 중요합니다.
• 전류 전달율 (CTR) 대 순방향 전류:CTR은 포토트랜지스터 컬렉터 전류 (I_C)와 LED 순방향 전류 (I_F)의 비율로, 일반적으로 백분율로 표현됩니다. 이 곡선은 효율이 구동 전류에 따라 어떻게 변하는지 보여주며, 원하는 출력 스윙을 위해 구동 회로를 최적화하는 데 핵심적입니다.
• 온도 의존성 곡선:V_F, I_C(ON), 암전류와 같은 파라미터들이 주변 온도에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 그래프들은 지정된 온도 범위에서 작동하는 견고한 시스템을 설계하는 데 필수적입니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

데이터시트는 패키지 치수 도면을 포함합니다(여기서는 재현되지 않음). 주요 기계적 고려사항은 다음과 같습니다:

• 슬롯 치수:차단 물체가 통과하는 중요한 간격입니다. 그 너비와 깊이는 대상 물체와의 호환성을 결정합니다.
• 리드 간격 및 형태:핀 레이아웃(아마도 표준 4핀 구성: LED용 애노드, 캐소드; 포토트랜지스터용 컬렉터, 이미터)과 그 간격은 PCB 풋프린트 설계에 매우 중요합니다.
• 전체 패키지 크기:외부 길이, 너비, 높이는 조립체 내에서 소자의 배치를 제한합니다.
• 극성 식별:패키지에는 핀 1을 식별하기 위한 표시(점이나 모따기된 모서리 등)가 있으며, 이는 PCB 풋프린트와 올바르게 정렬되어야 합니다.
• 맞춤형 레버 암:주목할 만한 특징은 차단 물체에 부착되는 맞춤형 레버 암을 설계할 수 있는 능력으로, 센서가 특정 기계적 동작에 맞게 조정되고 응용 유연성이 증가합니다.

5. 솔더링 및 조립 가이드라인

적절한 처리는 신뢰성에 매우 중요합니다.

• 리플로우 솔더링:지정된 한계는 패키지 본체에서 1.6mm 떨어진 지점에서 측정 시 5초간 260°C입니다. 이는 일반적인 무연 리플로우 프로파일과 일치합니다. 설계자는 리플로우 오븐의 열 프로파일이 이 한계를 초과하지 않도록 하여 내부 에폭시나 반도체 접합의 손상을 방지해야 합니다.
• 핸드 솔더링:핸드 솔더링이 필요한 경우, 온도 제어 납땜 인두를 사용하고 리드당 납땜 시간을 최소화해야 합니다(일반적으로 < 3초).
• 세척:소자의 플라스틱 패키지와 호환되는 적절하고 부식성이 없는 세정제를 사용하십시오.
• 보관 조건:지정된 -40°C ~ +100°C 범위 내의 건조하고 정전기 방지 환경에 보관하여 수분 흡수(리플로우 중 "팝콘 현상"을 유발할 수 있음) 및 정전기 방전(ESD) 손상을 방지하십시오.

6. 응용 제안 및 설계 고려사항

6.1 대표적인 응용 회로

가장 일반적인 구성은 디지털 스위치입니다. LED는 일정한 전류(예: 직렬 저항을 통한 20mA)로 구동됩니다. 포토트랜지스터 컬렉터는 풀업 저항 (R_pull-up)을 통해 논리 공급 전압(예: 5V)에 연결되고, 이미터는 접지됩니다. 출력 신호는 컬렉터 노드에서 가져옵니다.

• 차단되지 않은 광선 (물체 없음):빛이 포토트랜지스터 베이스에 떨어져 전도하게 만듭니다. 컬렉터 전압은 낮아집니다(V_CE(SAT)에 가깝게).
• 차단된 광선 (물체 있음):포토트랜지스터가 꺼집니다. 풀업 저항이 컬렉터 전압을 높게 당깁니다(공급 전압까지).

R_pull-up의 값은 절충입니다: 낮은 값은 더 빠른 상승 시간과 더 나은 노이즈 내성을 제공하지만 출력이 낮을 때 더 많은 전류를 소모합니다. 필요한 스위칭 속도와 후속 논리 단계의 입력 특성을 기반으로 선택해야 합니다.

6.2 설계 고려사항

• LED 전류 선택:일반적인 20mA에서 동작하면 좋은 출력 전류를 제공합니다. 더 낮은 전류는 전력을 절약하지만 I_C(ON)와 노이즈 마진을 감소시킵니다. 연속 순방향 전류 정격을 초과하지 마십시오.
• 주변광 내성:소자는 내부 LED의 특정 파장에 민감합니다. 그러나 강한 주변광(특히 적외선을 포함하는 햇빛)이 있는 환경에서는 수신 회로에서 동기 검출을 사용한 변조(펄스)된 LED 구동 신호가 내성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
• 응답 시간:스위칭 속도(상승/하강 시간)는 포토트랜지스터의 커패시턴스와 풀업 저항 값에 의해 제한됩니다. 고속 응용의 경우, 가능하다면 특정 동적 특성 그래프를 참조하십시오.
• 물체 특성:차단 물체의 불투명도, 두께 및 색상은 차단되는 빛의 양에 영향을 미칩니다. 신뢰할 수 있는 동작을 위해 물체는 포토트랜지스터 전류를 "꺼짐" 상태의 임계값 이하로 낮출 만큼 충분히 불투명해야 합니다.
• 정렬:일관된 동작을 위해 센서 슬롯 내에서 물체의 정밀한 기계적 정렬이 필요하며, 특히 정의된 동작 각도를 고려할 때 더욱 그렇습니다.

7. 기술 비교 및 장점

기계식 마이크로 스위치와 비교하여, LTH-306-09S 포토인터럽터는 몇 가지 주요 장점을 제공합니다:

• 수명 및 신뢰성:마모, 아크 발생 또는 산화될 움직이는 접점이 없습니다. 수명은 일반적으로 수 배에서 수십 배 더 깁니다.
• 고속 동작:접점 바운스와 기계적 관성에 제한되는 기계식 스위치보다 훨씬 빠르게 스위칭할 수 있습니다.
• 일관된 성능:접촉 저항이 요인이 아닙니다. 출력 특성은 시간이 지나도 안정적으로 유지됩니다.
• 환경 밀봉:플라스틱 패키지는 외부 액추에이터가 있는 기계식 스위치에 비해 먼지와 습기에 대해 더 쉽게 밀봉할 수 있습니다.
• 저소음 동작:기계식 스위치의 가청 클릭 소리와 달리 완전히 무음입니다.

절충점은 지원 전자 회로(LED용 전류원 및 풀업 저항)의 필요성과 극단적인 주변광 또는 광로 오염에 대한 잠재적 민감도입니다.

8. 자주 묻는 질문 (기술 파라미터 기반)

• Q: 5V 마이크로컨트롤러 핀에서 LED를 직접 구동할 수 있나요?A: 아니요. 전류 제한 저항을 사용해야 합니다. 예를 들어, V_CC=5V, V_F~1.4V, 원하는 I_F=20mA일 때: R = (5V - 1.4V) / 0.02A = 180Ω. 180Ω 또는 220Ω 저항이 일반적입니다.
• Q: 8-14도의 "동작 각도"가 제 설계에 무엇을 의미하나요?A: 이는 광선을 차단하는 물리적 레버 또는 플래그가 슬롯을 통과할 때 출력 상태를 "켜짐"에서 "꺼짐"으로 신뢰성 있게 전환하기 위해 최소 8도(일반적으로 최대 14도) 회전하거나 이동해야 함을 의미합니다. 귀하의 기계 설계는 이 각도 이동을 보장해야 합니다.
• Q: 출력 컬렉터 전류 (I_C(ON))가 최소 0.5mA에 불과합니다. 논리 입력을 구동하기에 충분한가요?A: 네, 매우 높은 입력 임피던스(마이크로암페어만 필요)를 가진 표준 CMOS 또는 TTL 논리 입력의 경우, 0.5mA 싱크 능력은 충분 이상입니다. 전압 레벨(낮음 = ~0.4V)이 중요한 파라미터입니다.
• Q: 공급 라인의 전압 스파이크로부터 소자를 보호하려면 어떻게 해야 하나요?A: 소자 근처에 표준 보드 레벨 디커플링 커패시터(예: 100nF 세라믹)를 사용하십시오. 가혹한 환경의 경우, 공급 레일에 추가 과도 전압 억제(TVS) 다이오드를 고려할 수 있습니다.

9. 실제 응용 예시

• 프린터 용지 감지:용지 트레이 레버에 부착된 플래그가 포토인터럽터의 슬롯을 통해 회전합니다. 용지가 있으면 플래그가 한 위치에 있고(광선 차단되지 않음), 비어 있으면 다른 위치로 이동하여(광선 차단됨) 제어 시스템에 신호를 보냅니다.
• 산업용 컨베이어 벨트 물체 계수:컨베이어 위의 물체가 포토인터럽터가 장착된 게이트를 통과합니다. 각 물체가 광선을 차단하여 PLC 또는 마이크로컨트롤러에 의해 계산되는 펄스를 생성합니다.
• 안전 도어 인터록:포토인터럽터는 도어 프레임에 장착되고, 탭은 도어에 장착됩니다. 도어가 제대로 닫히면 탭이 슬롯에 들어가 광선이 통과하도록 하여 "안전" 상태를 신호합니다. 도어가 열려 있으면 광선이 차단되어 기계를 비활성화할 수 있는 "위험" 상태를 신호합니다.
• 회전식 인코더 디스크 감지:모터 샤프트에 부착된 슬롯 디스크가 에미터와 검출기 사이에서 회전합니다. 슬롯이 통과할 때 생성되는 일련의 광 펄스는 속도와 위치를 결정하는 데 사용됩니다.

10. 동작 원리

포토인터럽터는 에미터와 검출기 사이에 물리적 간격이 있는 광커플러입니다. 한쪽에는 적외선 발광 다이오드(LED)가 있고 반대쪽에는 열린 슬롯을 가로질러 정렬된 실리콘 포토트랜지스터로 구성됩니다. LED에 전류가 인가되면 적외선을 방출합니다. 이 빛은 간격을 가로질러 포토트랜지스터의 베이스 영역에 도달합니다. 광자는 베이스에서 전자-정공 쌍을 생성하여 효과적으로 베이스 전류 역할을 합니다. 이렇게 광생성된 전류는 트랜지스터의 이득에 의해 증폭되어 훨씬 더 큰 컬렉터 전류가 흐르도록 합니다. 불투명한 물체가 슬롯에 들어가면 광로를 차단합니다. 광생성 베이스 전류가 중단되어 포토트랜지스터가 꺼지고 컬렉터 전류가 멈춥니다. 따라서 슬롯 내 물체의 유무가 출력 포토트랜지스터의 전도성을 디지털 방식으로 제어합니다.

11. 기술 트렌드

포토인터럽터의 기본 기술은 성숙되었습니다. 현재 트렌드는 통합 및 소형화에 초점을 맞추고 있습니다. 소자들은 성능을 유지하거나 향상시키면서 패키지 크기(SMD 타입)가 더 작아지고 있습니다. 또한 히스테리시스를 위한 슈미트 트리거(외부 부품 없이 깨끗한 디지털 스위칭 제공), 아날로그 출력용 증폭기, 또는 완전한 디지털 인터페이스(I2C)와 같은 추가 회로를 온칩에 통합하는 추세도 있습니다. 이는 외부 부품 수를 줄이고 설계를 단순화합니다. 더 나아가, 더 높은 감도를 가진 소자는 더 낮은 LED 전류로 동작할 수 있게 하여 배터리 구동 응용에 중요한 전체 시스템 전력 소비를 줄입니다. 광로(렌즈, 필터)용 소재 개발도 주변광 제거 및 감지 정확도를 계속해서 개선하고 있습니다.