포토인터럽터 LTH-301-05 데이터시트 - 비접촉식 스위칭 - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

LTH-301-05은 반사형 포토인터럽터로, 적외선 발광 다이오드(IR LED)와 포토트랜지스터를 하나의 컴팩트한 패키지에 결합한 광전자 부품입니다. 이 장치의 주요 기능은 물리적 접촉 없이 물체의 유무를 감지하는 것으로, 비접촉식 스위치 역할을 합니다. 이 장치의 핵심 장점은 기존 스위치와 관련된 기계적 마모를 제거하여 신뢰성과 수명이 뛰어나다는 점입니다. 직접 PCB(인쇄 회로 기판) 장착 또는 듀얼 인라인 소켓과 함께 사용하도록 설계되어 조립에 유연성을 제공합니다. 빠른 스위칭 속도로 인해 프린터, 복사기, 자판기 및 위치 감지, 물체 계수 또는 에지 감지가 필요한 산업 자동화 장비와 같이 빠른 감지가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 절대 최대 정격

이 정격은 장치에 영구적인 손상이 발생할 수 있는 한계를 정의합니다. 이는 연속 작동을 위한 값이 아닙니다. 주요 파라미터는 다음과 같습니다:

• IR 다이오드 연속 순방향 전류(I_F): 60 mA. 이는 LED를 통해 흐를 수 있는 최대 정상 상태 전류입니다.
• IR 다이오드 피크 순방향 전류: 1 A (초당 300 펄스, 10 μs 폭 펄스 기준). 이는 향상된 신호 감지를 위한 짧고 고강도의 펄스를 허용합니다.
• 포토트랜지스터 컬렉터 전류(I_C): 20 mA. 출력 트랜지스터가 처리할 수 있는 최대 전류입니다.
• 포토트랜지스터 컬렉터-이미터 전압(V_CEO): 30 V. 포토트랜지스터의 컬렉터와 이미터에 인가할 수 있는 최대 전압입니다.
• 작동 온도 범위: -25°C ~ +85°C. 이는 신뢰할 수 있는 작동을 위한 주변 온도 범위를 정의합니다.
• 리드 납땜 온도: 케이스에서 1.6mm 거리에서 5초 동안 최대 260°C. 이는 열 손상을 방지하기 위한 조립 시 매우 중요합니다.

2.2 전기 및 광학 특성

이 파라미터들은 주변 온도(T_A) 25°C에서 측정되며, 장치의 일반적인 성능을 정의합니다.

2.2.1 입력(IR LED) 특성

• 순방향 전압(V_F): 순방향 전류(I_F) 20 mA에서 일반적으로 1.2V ~ 1.6V입니다. 이는 LED가 점등될 때 LED 양단에 걸리는 전압 강하입니다.
• 역방향 전류(I_R): 역방향 전압(V_R) 5V에서 최대 100 μA입니다. 이는 LED가 역방향 바이어스될 때의 작은 누설 전류를 나타냅니다.

2.2.2 출력(포토트랜지스터) 특성

• 컬렉터-이미터 항복 전압(V_(BR)CEO): 최소 30V. 베이스가 개방되었을 때 트랜지스터가 항복하는 전압입니다.
• 컬렉터-이미터 암전류(I_CEO): V_CE=10V에서 최대 100 nA입니다. 이는 빛이 입사되지 않을 때(즉, "꺼짐" 상태 전류) 포토트랜지스터의 누설 전류입니다. 낮은 값은 켜짐과 꺼짐 상태 간의 좋은 대비를 위해 바람직합니다.

2.2.3 커플러(결합) 특성

이 파라미터들은 LED와 포토트랜지스터가 함께 작동할 때의 동작을 설명합니다.

• 컬렉터-이미터 포화 전압(V_CE(SAT)): 포토트랜지스터가 완전히 켜졌을 때(I_C=0.25mA, I_F=20mA) 최대 0.4V입니다. 낮은 포화 전압은 디지털 로직 인터페이싱에 유리합니다.
• 온 상태 컬렉터 전류(I_C(ON)): LED가 구동될 때(I_F=20mA) 및 V_CE=5V에서 최소 0.5 mA입니다. 이는 생성된 광전류로, 출력 신호 강도를 결정합니다.
• 응답 시간: 이는 출력이 입력 빛의 변화에 얼마나 빠르게 반응하는지를 정의합니다.
  • 상승 시간(t_r): 일반적으로 3 μs, 최대 15 μs입니다. LED가 켜질 때 출력 전류가 최종 값의 10%에서 90%까지 상승하는 데 걸리는 시간입니다.
  • 하강 시간(t_f): 일반적으로 4 μs, 최대 20 μs입니다. LED가 꺼질 때 출력 전류가 초기 값의 90%에서 10%까지 하강하는 데 걸리는 시간입니다.

3. 기계적 및 패키징 정보

3.1 패키지 치수

이 장치는 4개의 리드를 가진 표준 스루홀 패키지를 특징으로 합니다. 정확한 치수는 데이터시트 도면에 제공됩니다. 주요 참고 사항은 다음과 같습니다:

• 모든 치수는 밀리미터 단위이며, 인치는 괄호 안에 표기됩니다.
• 특별한 주석이 없는 한 표준 공차는 ±0.25mm(±0.010")입니다.
• 이 패키지는 웨이브 납땜 또는 수동 납땜 공정 중 안정성을 위해 설계되었습니다.

3.2 극성 식별

올바른 방향은 매우 중요합니다. 데이터시트 다이어그램은 IR LED의 애노드 및 캐소드 핀과 포토트랜지스터의 컬렉터 및 이미터 핀을 명확히 표시합니다. 장치를 잘못 장착하면 작동하지 않거나 영구적인 손상이 발생할 수 있습니다.

4. 납땜 및 조립 지침

적절한 처리는 장치의 신뢰성과 수명을 보장합니다.

• 납땜: 리드는 최대 260°C의 온도에서 납땜할 수 있지만, 이 열은 최대 5초 동안만 가해야 합니다. 플라스틱 케이스 본체에서 지정된 거리(1.6mm / 0.063")를 유지하여 패키지의 용융 또는 변형을 방지하는 것이 중요합니다.
• 세척: 장치의 플라스틱 재질과 호환되는 적절한 용매를 사용하십시오. 내부 응력이나 균열을 일으킬 수 있는 특정 주파수의 초음파 세척은 피하십시오.
• 보관 조건: 성능을 유지하기 위해 장치를 -40°C ~ +100°C의 온도 범위와 낮은 습도 환경에 보관하고, 정전기 방전(ESD) 손상을 방지하기 위해 가능하면 정전기 방지 포장에 보관하십시오.

5. 응용 제안

5.1 일반적인 응용 시나리오

• 프린터/복사기 내 용지 감지: 용지 걸림, 용지 소진 또는 다중 공급 상태를 감지합니다.
• 물체 계수: 컨베이어 벨트나 슈트를 통과하는 물품을 계수합니다.
• 위치/속도 감지: 인코더 휠의 슬롯을 감지하여 모터의 회전 위치나 속도를 결정합니다.
• 자판기: 동전 통과 또는 제품 배출을 확인합니다.
• 보안 시스템: 침입 감지를 위한 빔 차단 센서의 일부로 사용됩니다.

5.2 설계 고려사항

• LED 전류 제한: 항상 IR LED와 직렬로 저항을 사용하여 순방향 전류(I_F)를 안전한 값(일반적으로 출력 신호 강도와 장치 수명 간의 균형을 위해 10mA ~ 20mA 사이)으로 제한하십시오. 저항 값은 R = (V_CC- V_F) / I_F.
• 포토트랜지스터 바이어싱: 풀업 저항은 일반적으로 포토트랜지스터의 컬렉터와 양극 공급 전압(V_CC) 사이에 연결됩니다. 이미터는 접지에 연결됩니다. 이 저항의 값(일반적으로 1kΩ ~ 10kΩ)과 공급 전압은 출력 전압 스윙과 응답 속도를 결정합니다. 더 작은 저항은 더 빠른 응답을 제공하지만 출력 전압 스윙이 낮아지고(켜졌을 때 전력 소비가 높아짐) 합니다.
• 주변광 내성: 이 장치는 적외선을 사용하기 때문에 가시 주변광에 다소 내성이 있습니다. 그러나 강한 IR 방출원(햇빛이나 백열등과 같은)은 오작동을 일으킬 수 있습니다. 변조된 IR 신호와 복조 회로를 사용하면 노이즈 내성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
• 간격 및 반사율: 감지 거리와 신호 강도는 대상 물체의 반사율과 센서와 물체 사이의 간격 너비에 따라 달라집니다. 어둡고 반사되지 않는 물체는 더 약한 신호를 생성합니다.

6. 동작 원리

LTH-301-05은 간단한 광학 원리로 작동합니다. 내부 IR LED는 적외선 빔을 방출합니다. LED 반대편에는 포토트랜지스터가 있습니다. "차단되지 않은" 상태에서 이 빔은 작은 간격을 가로질러 포토트랜지스터에 도달하여 포토트랜지스터가 전도(켜짐)하게 합니다. 물체가 이 간격에 삽입되면 적외선을 차단합니다. 포토트랜지스터에 빛이 입사되지 않으면 전도를 멈춥니다(꺼짐). 포토트랜지스터의 전기적 상태 변화(전도에서 비전도로, 또는 그 반대로)는 외부 회로에 의해 감지되어 물체의 존재를 등록합니다. 포토트랜지스터는 기본적으로 빛의 강도에 의해 제어되는 전류원 역할을 합니다.

7. 성능 곡선 분석

데이터시트에는 상세한 설계 분석에 매우 유용한 일반적인 특성 곡선이 포함되어 있습니다. 특정 그래프는 텍스트로 재현되지 않지만 일반적으로 다음과 같은 관계를 보여줍니다:

• LED의 순방향 전류 대 순방향 전압(I_F-V_F): 비선형 관계를 보여주며, 다양한 작동 전류에서 정확한 전압 강하를 결정하는 데 도움이 됩니다.
• 포토트랜지스터의 컬렉터 전류 대 컬렉터-이미터 전압(I_C-V_CE): 다양한 입사광 수준(또는 다양한 LED 구동 전류)에서 이 곡선들은 바이폴라 트랜지스터의 출력 곡선과 유사하게 트랜지스터의 출력 특성을 보여줍니다.
• 컬렉터 전류 대 순방향 전류(I_C-I_F): 이 전달 특성 곡선은 매우 중요합니다. 출력 광전류(I_C)가 입력 LED 전류(I_F)에 따라 어떻게 변하는지를 보여줍니다. 이는 커플러의 핵심 효율 파라미터인 전류 전달 비율(CTR)을 정의합니다.
• 온도 의존성: 곡선들은 종종 순방향 전압(V_F), 암전류(I_CEO), 온 상태 전류(I_C(ON))와 같은 파라미터들이 주변 온도에 따라 어떻게 변하는지를 보여줍니다. 이는 넓은 온도 범위에서 작동하는 시스템을 설계하는 데 매우 중요합니다.

8. 기술 파라미터 기반 일반적인 질문

1. Q: 일반적인 감지 거리는 얼마입니까?A: 감지 거리는 데이터시트에 단일 고정 값으로 명시되어 있지 않습니다. 이는 슬롯의 특정 기계적 설계, LED 구동 전류(I_F), 수신 회로의 감도 및 차단 물체의 반사율에 따라 달라집니다. 설계자는 I_C(ON)파라미터와 응용 설정을 기반으로 이를 결정해야 합니다.
2. Q: 마이크로컨트롤러 핀에서 LED를 직접 구동할 수 있습니까?A: 가능할 수 있지만 두 가지를 확인해야 합니다: a) 마이크로컨트롤러 핀의 최대 전류 공급 능력이 원하는 I_F(예: 20mA)보다 커야 합니다. b) 설계 고려사항에서 설명한 대로 직렬로 전류 제한 저항을 반드시 포함해야 합니다. LED를 전압원에 직접 연결하지 마십시오.
3. Q: 출력을 디지털 입력과 어떻게 인터페이스합니까?A: 가장 간단한 방법은 컬렉터에 풀업 저항을 사용하는 것입니다. 광 경로가 막히지 않았을 때 포토트랜지스터가 켜져 컬렉터 전압을 낮게(거의 V_CE(SAT)에 가깝게) 끌어내립니다. 빛이 차단되면 트랜지스터가 꺼지고 풀업 저항이 컬렉터 전압을 높게(V_CC로) 끌어올립니다. 이는 깨끗한 논리 레벨 신호를 제공합니다.
4. Q: 응답 시간이 왜 중요합니까?A: 빠른 응답 시간(마이크로초)을 통해 센서는 매우 빠르게 움직이는 물체나 빠른 순차적 이벤트를 놓치지 않고 감지할 수 있습니다. 이는 고속 기계, 인코더 응용 또는 펄스 광을 사용하는 통신 시스템에서 필수적입니다.
5. Q: 절대 최대 정격을 초과하면 어떻게 됩니까?A: 이 한계를 초과하면, 아주 짧은 시간이라도 장치에 즉각적이거나 잠재적인 손상을 일으킬 수 있습니다. 이는 LED의 광 출력 저하, 포토트랜지스터의 암전류 증가 또는 완전한 고장(개방 또는 단락)을 포함할 수 있습니다. 항상 안전 마진을 두고 설계하십시오.

9. 실용적인 설계 및 사용 사례

사례: 소형 DC 모터의 RPM 측정

설계자가 모터 샤프트의 회전 속도를 측정해야 합니다. 그들은 샤프트에 작은 슬롯 디스크를 부착합니다. LTH-301-05은 디스크가 감지 간격을 통해 회전하도록 장착됩니다. 슬롯이 간격을 통과할 때마다 빛이 포토트랜지스터에 도달하여 출력에 펄스를 생성합니다. LED는 저항을 통해 일정한 15mA 전류로 구동됩니다. 포토트랜지스터 컬렉터는 4.7kΩ 풀업 저항을 통해 5V 공급 전압에 연결되고 마이크로컨트롤러의 인터럽트 가능 입력 핀에도 연결됩니다.

마이크로컨트롤러 펌웨어는 고정된 시간 창(예: 1초) 내에 수신된 펄스 수(상승 또는 하강 에지)를 계수하도록 프로그래밍됩니다. 예를 들어 디스크에 20개의 슬롯이 있다면, 초당 펄스 수를 20으로 나누면 초당 회전 수를 얻을 수 있으며, 이는 쉽게 RPM으로 변환됩니다. 센서의 빠른 상승 및 하강 시간은 높은 모터 속도에서도 센서 응답이 느려서 에지를 놓치는 일 없이 펄스가 깨끗하고 정확하게 계수되도록 보장합니다.

10. 발전 동향

LTH-301-05과 같은 포토인터럽터는 성숙하고 신뢰할 수 있는 기술을 대표합니다. 광전자 센서의 더 넓은 분야에서 현재의 동향은 다음과 같은 것에 초점을 맞추고 있습니다:

• 소형화: 현대 전자 제품에서 보드 공간을 절약하기 위해 더 작은 표면 실장 장치(SMD) 패키지 개발.
• 통합:
  • LED용 전류 제한 저항을 내부에 통합.
  • 패키지 내에 슈미트 트리거나 비교기를 포함하여 직접 깨끗한 디지털 출력을 제공하고 인터페이스 회로를 단순화.
  • 탁월한 노이즈 내성을 위해 주변광 제거 회로나 변조/복조 논리를 온칩에 추가.
• 향상된 성능: 더 낮은 전력 소비나 더 긴 감지 거리를 위한 전류 전달 비율(CTR) 개선, 초고속 응용을 위한 응답 시간 추가 감소.
• 전문화: 정밀한 에지 감지를 위한 매우 좁은 간격을 가진 변형 제작, 또는 특정 재료 감지(예: 투명 필름 감지)를 위한 다른 파장을 가진 변형 제작.

이러한 발전에도 불구하고, 기본적인 반사형 포토인터럽터는 다양한 비접촉 감지 응용 분야에 대해 비용 효율적이고 견고한 솔루션으로 남아 있으며, 이 데이터시트에 설명된 상세한 파라미터를 이해하는 것은 성공적인 설계를 위한 첫걸음입니다.