LTH-301-27P1 포토인터럽터 데이터시트 - 비접촉식 스위칭 - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

LTH-301-27P1는 반사형 포토인터럽터로, 광전자 센서의 일종입니다. 이 센서의 핵심 기능은 물리적 접촉 없이 물체의 유무를 감지하는 것입니다. 이는 적외선 발광 다이오드(IR LED)와 포토트랜지스터를 하나의 소형 하우징 내에 결합하여 구현됩니다. 물체가 발광부와 검출부 사이의 갭에 들어가면 적외선 광속이 차단되어 포토트랜지스터의 출력 상태가 변화합니다. 이로 인해 위치 감지, 리밋 스위칭, 물체 계수 등 신뢰할 수 있는 비기계적 감지가 필요한 응용 분야에 이상적입니다.

이 장치는 인쇄 회로 기판(PCB)에 직접 장착하거나 표준 듀얼 인라인 소켓에 장착할 수 있도록 설계되어 전자 어셈블리에 쉽게 통합할 수 있습니다. 주요 장점으로는 접점 바운스에 대한 내성, 움직이는 부품이 없어 긴 수명, 고속 계수나 타이밍 응용에 적합한 빠른 스위칭 속도 등이 있습니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

2.1 절대 최대 정격

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

• IR 다이오드 연속 순방향 전류 (I_F):50 mA. 적외선 LED에 인가할 수 있는 최대 정상 상태 전류입니다.
• IR 다이오드 역전압 (V_R):5 V. LED 양단에 이 역바이어스 전압을 초과하면 항복이 발생할 수 있습니다.
• 포토트랜지스터 콜렉터 전류 (I_C):40 mA. 포토트랜지스터의 콜렉터가 처리할 수 있는 최대 전류입니다.
• 포토트랜지스터 콜렉터-이미터 전압 (V_CEO):30 V. 포토트랜지스터의 콜렉터와 이미터 사이에 인가할 수 있는 최대 전압입니다.
• 동작 온도 범위:-35°C ~ +65°C. 신뢰할 수 있는 동작을 위한 주변 온도 범위입니다.
• 리드 솔더링 온도:케이스에서 1.6mm 거리에서 5초 동안 260°C. 웨이브 솔더링이나 리플로우 솔더링 공정에서 열 손상을 방지하기 위한 중요한 지침입니다.

전력 감액 참고:트랜지스터 전력 소산(100 mW)과 다이오드 전력 소산(75 mW) 모두 주변 온도가 25°C를 초과할 경우 1.33 mW/°C의 비율로 선형적으로 감액되어야 합니다. 이는 과열을 방지하기 위해 온도가 상승함에 따라 허용 전력이 감소함을 의미합니다.

2.2 전기 및 광학 특성

이 파라미터들은 25°C에서 측정되며, 지정된 테스트 조건에서 장치의 일반적인 성능을 정의합니다.

2.2.1 입력 IR LED 특성

• 순방향 전압 (V_F):순방향 전류 (I_F) 20 mA에서 일반적으로 1.6V (최대 1.6V). 이 값은 전류 제한 저항 값을 계산하는 데 사용됩니다: R = (V_공급- V_F) / I_F.
• 역전류 (I_R):역전압 (V_R) 5V에서 최대 100 µA. 이는 LED가 역바이어스되었을 때의 누설 전류를 나타냅니다.

2.2.2 출력 포토트랜지스터 특성

• 콜렉터-이미터 항복 전압 (V_(BR)CEO):최소 30V. 베이스가 개방되었을 때 포토트랜지스터가 항복하는 전압입니다.
• 콜렉터-이미터 암전류 (I_CEO):V_CE=10V에서 최대 100 nA. 이는 포토트랜지스터가 "꺼짐" 상태(빛이 입사하지 않음)일 때의 누설 전류입니다. 좋은 신호 대 잡음비를 위해 낮은 값이 바람직합니다.

2.2.3 커플러 (시스템) 특성

이 파라미터들은 결합된 LED-포토트랜지스터 쌍의 성능을 설명합니다.

• 콜렉터-이미터 포화 전압 (V_CE(SAT)):포토트랜지스터가 포화 상태로 구동될 때 (I_C=0.25mA, I_F=20mA) 최대 0.4V. 낮은 포화 전압은 논리 회로와의 인터페이싱에 핵심적입니다.
• 온 상태 콜렉터 전류 (I_C(ON)):포토트랜지스터가 조명될 때 (V_CE=5V, I_F=20mA) 최소 1.5 mA. 이는 생성된 광전류로, 센서의 감도를 정의합니다. 실제 전류는 차단 물체의 반사율과 정렬 상태에 따라 더 높을 수 있습니다.

3. 기계적 및 패키징 정보

LTH-301-27P1는 표준 4핀 듀얼 인라인 패키지로 구성되어 있습니다. 정확한 치수는 데이터시트 내 패키지 도면에 제공됩니다. 주요 기계적 참고사항은 다음과 같습니다:

• 다르게 명시되지 않는 한, 모든 치수는 밀리미터 단위이며 표준 공차는 ±0.25mm입니다.
• 패키지는 IR 발광부와 광검출부 사이에 슬롯 또는 갭을 특징으로 합니다. 감지할 물체는 이 갭을 통과합니다.
• 극성이 명확하게 표시되어 있습니다. IR LED의 애노드와 캐소드 핀, 그리고 포토트랜지스터의 콜렉터와 이미터 핀이 식별됩니다. PCB 장착 시 올바른 방향이 필수적입니다.
• 이 장치는 PCB 장착과 소켓 장착 모두에 적합하여, 조립의 유연성과 현장 교체 가능성을 제공합니다.

4. 솔더링 및 조립 지침

적절한 처리는 신뢰성에 매우 중요합니다.

• 솔더링:리드는 플라스틱 케이스 본체에서 1.6mm 떨어진 지점에서 최대 5초 동안 260°C의 온도를 견딜 수 있습니다. 이 지침은 웨이브 솔더링 공정에 매우 중요합니다. 리플로우 솔더링의 경우, 피크 온도가 260°C 미만인 표준 프로파일을 권장합니다.
• 세척:플라스틱 하우징과 호환되는 온화한 세척제를 사용하십시오. 과도한 출력의 초음파 세척은 내부 구성 요소를 손상시킬 수 있으므로 피하십시오.
• 보관:지정된 보관 온도 범위인 -40°C ~ +100°C 내의 환경에, 습기 흡수를 방지하기 위해 가능하면 저습도 조건에 보관하십시오.
• ESD 주의사항:명시적으로 민감하다고 명시되지는 않았지만, 조립 중에는 반도체 장치에 대한 표준 ESD(정전기 방전) 처리 절차를 따라야 합니다.

5. 응용 제안

5.1 대표적인 응용 회로

가장 일반적인 구성은 IR LED를 전류 제한 저항과 직렬로 연결하여 전압원(예: 5V)에 연결하는 것입니다. 포토트랜지스터는 일반적으로 공통 이미터 구성으로 연결됩니다: 콜렉터는 부하 저항(R_L)을 통해 공급 전압(예: 5V)으로 풀업되고, 이미터는 접지에 연결됩니다. 출력 신호는 콜렉터 노드에서 취합니다.

• 광속이 차단되지 않으면 빛이 포토트랜지스터에 입사하여 도통하게 하고 콜렉터 전압을 낮게(거의 V_CE(SAT) 근처로) 끌어내립니다.
• 물체가 광속을 차단하면 포토트랜지스터가 꺼지고, 콜렉터 전압은 부하 저항에 의해 하이로 풀업됩니다.
• 부하 저항(R_L)의 값은 스위칭 속도와 전류 소비를 결정합니다. 더 작은 R_L은 더 빠른 스위칭을 허용하지만 트랜지스터가 켜져 있을 때 더 많은 전류를 소비합니다.

5.2 설계 고려사항

• 정렬:물체 경로와 센서 갭의 정밀한 기계적 정렬은 신뢰할 수 있는 동작에 매우 중요합니다.
• 주변광:센서가 적외선을 사용하기 때문에 강한 주변 IR 광원(예: 햇빛, 백열등)의 간섭에 취약할 수 있습니다. 변조된 IR 신호와 동기화된 검출기 회로를 사용하면 내성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
• 물체 특성:센서의 효과는 물체가 IR 광속을 반사하거나 흡수하는 능력에 달려 있습니다. 어둡고 반사되지 않는 물체는 밝은 색상의 물체만큼 신뢰성 있게 감지되지 않을 수 있습니다. 실제 대상 재료로 테스트하는 것이 권장됩니다.
• 디바운싱:센서 자체는 접점 바운스가 없지만, 전기적 출력에 여전히 노이즈가 있을 수 있습니다. 깨끗한 디지털 신호를 위해 소프트웨어 또는 하드웨어 디바운싱(예: 간단한 RC 필터나 슈미트 트리거 입력)이 필요할 수 있습니다.

6. 동작 원리

포토인터럽터는 광속 차단 원리로 동작합니다. 내부적으로, 적외선 LED는 일반적으로 약 940nm 파장의 빛을 방출하며, 이는 인간의 눈에는 보이지 않습니다. 바로 맞은편에는 이 빛을 받기 위해 실리콘 포토트랜지스터가 위치합니다. 포토트랜지스터는 빛 제어 스위치 역할을 합니다. IR LED에서 나온 광자가 베이스 영역에 충돌하면 전자-정공 쌍을 생성하고, 이는 차례로 훨씬 더 큰 콜렉터 전류가 흐르도록 합니다. 이것이 광전 효과입니다. 이 콜렉터 전류의 크기는 입사광의 강도에 비례합니다. 불투명한 물체가 LED와 포토트랜지스터 사이의 갭에 들어가면 광로가 차단됩니다. 포토트랜지스터에 입사하는 빛의 강도가 급격히 떨어져 콜렉터 전류가 매우 낮은 값(기본적으로 암전류)으로 떨어집니다. 이 전류의 급격한 변화(또는 부하 저항 양단의 해당 전압 변화)는 외부 회로에 의해 감지되어 스위칭 이벤트로 해석됩니다.

7. 성능 곡선 및 분석

데이터시트에는 표로 된 최소/일반/최대 값 이상의 가치 있는 통찰력을 제공하는 일반적인 특성 곡선이 포함되어 있습니다.

• 전달 특성 (I_C 대 I_F):이 곡선은 고정된 콜렉터-이미터 전압에서 포토트랜지스터의 출력 전류(I_C)가 LED의 입력 전류(I_F)에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다. 이는 특정 조건에서 입력 구동과 출력 응답 사이의 선형 관계를 보여주어 원하는 감도를 위한 LED 구동 전류를 최적화하는 데 도움을 줍니다.
• 출력 특성 (I_C 대 V_CE):다른 수준의 입사광(또는 다른 I_F)에 대해 그려진 이 곡선들은 포토트랜지스터가 전류원처럼 동작하는 방식을 보여줍니다. 콜렉터 전류는 포화에 도달할 때까지 V_CE의 범위에서 상대적으로 일정하게 유지됩니다.
• 온도 의존성:순방향 전압(V_F)이나 콜렉터 암전류(I_CEO)와 같은 파라미터가 온도에 따라 어떻게 변하는지 보여주는 곡선은 전체 지정 온도 범위에서 동작하는 시스템을 설계하는 데 매우 중요합니다. 예를 들어, V_F는 일반적으로 온도가 상승함에 따라 감소하는데, 이는 일정 전압원으로 구동될 경우 LED의 광 출력에 약간 영향을 미칠 수 있습니다.

8. 자주 묻는 질문

Q: 이 센서의 일반적인 응답 시간은 얼마입니까?

A: 제공된 데이터에 명시적으로 명시되지는 않았지만, 이러한 포토인터럽터는 일반적으로 마이크로초 범위의 응답 시간을 가져 고속 계수에 적합합니다. 실제 속도는 포토트랜지스터의 상승/하강 시간과 외부 회로의 RC 시정수에 의해 제한됩니다.

Q: 이 센서를 실외에서 사용할 수 있습니까?

A: 주의해서 사용해야 합니다. 직사광선에는 포토트랜지스터를 포화시켜 오작동을 일으킬 수 있는 강한 적외선 성분이 포함되어 있습니다. 신뢰할 수 있는 실외 사용을 위해서는 주변광을 차단하는 물리적 차폐물이나 하우징과 함께 광학 필터링이나 신호 변조 기술이 필요합니다.

Q: LED 전류 제한 저항 값을 어떻게 선택합니까?

A: 공식을 사용하십시오: R = (V_CC- V_F) / I_F. 예를 들어, 5V 공급 전압(V_CC), 일반적인 V_F 1.6V, 원하는 I_F 20 mA: R = (5 - 1.6) / 0.02 = 170 Ω. 표준 180 Ω 저항이 적절하여 I_F≈ 18.9 mA가 됩니다.

Q: 이미터-콜렉터 항복 전압 (V_(BR)ECO) 정격의 목적은 무엇입니까?

A> 이 정격(5V)은 포토트랜지스터가 역전된 구성(이미터가 콜렉터보다 높은 전위)으로 연결된 경우에 관련이 있으며, 이는 일반적이지 않습니다. 이는 장치가 C-E 접합 양단에 작은 역전압을 손상 없이 견딜 수 있도록 보장합니다.

9. 실제 사용 사례

응용: 프린터 내 종이 감지

LTH-301-27P1는 프린터나 복사기에서 종이의 선단을 감지하는 데 사용될 수 있습니다. 센서는 종이가 그 갭을 통과하도록 장착됩니다. 반사 플래그나 종이 자체가 광속을 차단합니다. 광속이 차단되지 않으면(종이가 없음) 포토트랜지스터가 켜져 낮은 전압을 출력합니다. 종이가 갭에 들어가면 광속이 차단되어 포토트랜지스터가 꺼지고 출력 전압이 하이가 됩니다. 이 상승 에지 신호는 마이크로컨트롤러에 공급되어 인쇄 시퀀스를 시작하거나, 종이 존재를 확인하거나, 페이지를 계수하는 데 사용할 수 있습니다. 비접촉 특성은 종이나 센서에 마모가 없음을 보장하며, 빠른 응답은 높은 종이 공급 속도에서도 감지를 가능하게 합니다. 설계 고려사항에는 종이 경로가 센서 갭과 정확하게 정렬되도록 하고, 마이크로컨트롤러의 입력 핀을 위해 깨끗하고 빠른 전압 스윙을 제공하는 부하 저항을 선택하는 것이 포함됩니다.

10. 기술 동향

포토인터럽터는 단순성, 신뢰성 및 저비용으로 인해 여전히 기본적인 감지 기술로 남아 있습니다. 현재 동향은 소형화에 초점을 맞추고 있으며, 이는 현대 전자 제품에서 보드 공간을 절약하는 표면 실장 장치(SMD) 패키지로 이어지고 있습니다. 또한 히스테리시스와 깨끗한 디지털 출력을 위한 내장 슈미트 트리거와 같은 추가 회로의 통합, 또는 우수한 주변광 제거를 위해 변조된 IR 드라이버와 동기화된 검출기 IC를 단일 칩에 통합한 완전 통합 솔루션도 있습니다. 더 나아가, 재료 및 패키징의 발전은 자동차 및 산업 응용 분야를 위한 동작 온도 범위를 확장하고 장기 신뢰성을 향상시키고 있습니다. 비행 시간(ToF) 센서와 같은 새로운 기술이 거리 측정을 제공하지만, 비용에 민감한 응용 분야에서 간단한 이진 존재 감지를 위한 기본 포토인터럽터의 역할은 확고하게 자리 잡고 있습니다.