Техническая документация на оптопрерыватель ITR8104 - Инфракрасный 940нм - 5В/20мА

1. Обзор изделия

ITR8104 — это компактный модуль оптопрерывателя, предназначенный для бесконтактного обнаружения и коммутации. Он объединяет инфракрасный излучающий диод и NPN кремниевый фототранзистор в едином корпусе из черной термопластической смолы. Компоненты расположены рядом на сходящихся оптических осях. В нормальном состоянии фототранзистор принимает инфракрасное излучение от светодиода. Когда непрозрачный объект прерывает световой путь между излучателем и детектором, фототранзистор перестает проводить ток, обеспечивая четкий сигнал переключения.

Ключевые преимущества устройства включают высокое быстродействие, высокую чувствительность и пиковую длину волны излучения 940 нм, которая находится за пределами видимого спектра для минимизации помех от окружающего освещения. Устройство изготовлено из бессвинцовых материалов и соответствует соответствующим экологическим нормам, таким как RoHS и EU REACH.

2. Подробный анализ технических характеристик

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эксплуатация устройства за пределами этих значений может привести к необратимому повреждению.

• Вход (ИК-светодиод):
  • Рассеиваемая мощность (Pd): 75 мВт (при температуре ≤25°C)
  • Обратное напряжение (VR): 5 В
  • Прямой ток (IF): 50 мА
• Выход (Фототранзистор):
  • Рассеиваемая мощность коллектора (Pc): 75 мВт
  • Коллекторный ток (IC): 20 мА
  • Напряжение коллектор-эмиттер (BV_CEO): 30 В
  • Напряжение эмиттер-коллектор (BV_ECO): 5 В
• Тепловые параметры:
  • Рабочая температура (T_opr): от -25°C до +85°C
  • Температура хранения (T_stg): от -40°C до +85°C
  • Температура пайки выводов (T_sol): 260°C в течение ≤5 секунд (измерено на расстоянии 3 мм от корпуса)

2.2 Электрооптические характеристики (T_a=25°C)

Эти параметры определяют производительность устройства в типичных рабочих условиях.

• Характеристики входа (ИК-светодиод):
  • Прямое напряжение (V_F): 1.2В (тип.), 1.6В (макс.) при I_F=20мА
  • Обратный ток (I_R): 10 мкА (макс.) при V_R=5В
  • Пиковая длина волны (λ_P): 940 нм (тип.) при I_F=20мА
• Характеристики выхода (Фототранзистор):
  • Ток темнового режима (I_CEO): 100 нА (макс.) при V_CE=20В, E_e=0мВт/см²
  • Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)): 0.4В (макс.) при I_C=0.5мА, I_F=20мА
  • Коллекторный ток (I_C(ON)): 0.5 мА (мин.) при V_CE=5В, I_F=20мА
  • Время нарастания (t_r): 20 мкс (тип.) при V_CE=5В, I_C=1мА, R_L=1кОм
  • Время спада (t_f): 20 мкс (тип.) при V_CE=5В, I_C=1мА, R_L=1кОм

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены несколько характеристических кривых, необходимых для инженеров-конструкторов.

3.1 Характеристики ИК-светодиода

Графики иллюстрируют зависимость прямого тока от температуры окружающей среды, показывая необходимое снижение мощности при более высоких температурах для соблюдения пределов. Кривая спектральной чувствительности подтверждает пик излучения на 940 нм. Другой график показывает незначительное изменение пиковой длины волны излучения в зависимости от температуры окружающей среды, что обычно пренебрежимо мало для большинства применений.

3.2 Характеристики фототранзистора

Ключевые графики включают зависимость коллекторного тока от прямого тока (передаточные характеристики) при различных температурах, подчеркивая чувствительность устройства. График зависимости рассеиваемой мощности коллектора от температуры окружающей среды имеет решающее значение для теплового режима, показывая, как максимально допустимая мощность снижается с ростом температуры окружающей среды.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

ITR8104 поставляется в стандартном корпусе для монтажа в отверстия. Критическими размерами являются шаг выводов, ширина корпуса и общая высота. Все размеры указаны в миллиметрах с общим допуском ±0.3 мм, если не указано иное. Шаг выводов измеряется в точке выхода выводов из пластикового корпуса.

4.2 Идентификация полярности и монтаж

Устройство имеет стандартную распиновку: анод и катод инфракрасного светодиода, а также коллектор и эмиттер фототранзистора. На корпусе обычно имеется маркировка или особая форма для обозначения вывода 1. При монтаже на печатную плату отверстия должны быть точно совмещены с положениями выводов, чтобы избежать механического напряжения на эпоксидном корпусе, которое может ухудшить производительность или вызвать отказ.

5. Рекомендации по пайке и сборке

5.1 Формовка выводов

• Изгиб должен выполняться на расстоянии более 3 мм от нижней части эпоксидного корпуса.
• Формовка выводов должна быть завершенадопроцесса пайки.
• Каркас выводов должен быть надежно зафиксирован во время изгиба, чтобы предотвратить нагрузку на корпус.
• Обрезка выводов должна производиться при комнатной температуре.

5.2 Рекомендации по пайке

Для предотвращения теплового повреждения соблюдайте минимальное расстояние 3 мм от места пайки до эпоксидной колбы.

• Ручная пайка:Температура жала паяльника: макс. 300°C (макс. 30Вт). Время пайки: макс. 3 секунды на вывод.
• Волновая/погружная пайка:Температура предварительного нагрева: макс. 100°C (макс. 60 сек). Температура ванны: макс. 260°C. Время погружения: макс. 5 секунд.
• Избегайте быстрого охлаждения после пайки. Позвольте устройству постепенно вернуться к комнатной температуре.
• Погружную или ручную пайку не следует выполнять более одного раза.

5.3 Рекомендуемый температурный профиль пайки

Профиль предполагает постепенный предварительный нагрев, контролируемое время выше температуры ликвидуса (обычно 260°C) и контролируемую скорость охлаждения для минимизации теплового удара компонента.

6. Хранение и обращение

• Первоначальное хранение (после доставки):10–30°C, ≤70% относительной влажности до 3 месяцев.
• Длительное хранение (более 3 месяцев):10–25°C, 20–60% относительной влажности в герметичном контейнере с азотной атмосферой до одного года.
• После вскрытия упаковки:Хранить при 10–25°C, 20–60% относительной влажности. Использовать в течение 24 часов или как можно скорее. Немедленно упаковывать неиспользованные устройства.
• Избегайте резких перепадов температуры в условиях высокой влажности для предотвращения конденсации.
• Очистка:Ультразвуковая очистканерекомендуется для данного устройства.

7. Упаковка и информация для заказа

7.1 Спецификация упаковки

Стандартная упаковка: 100 штук в трубке, 20 трубок в коробке, 4 коробки в картонной упаковке.

7.2 Информация на этикетке

Этикетка продукта включает поля: Номер продукта заказчика (CPN), Номер продукта (P/N), Количество в упаковке (QTY), Ранг светового потока (CAT), Ранг доминирующей длины волны (HUE), Ранг прямого напряжения (REF), Номер партии (LOT No.) и код даты/месяца (X).

8. Рекомендации по применению

8.1 Типовые сценарии применения

• Определение положения/скорости:В компьютерных мышах, копировальных аппаратах и дисководах для обнаружения вращения или линейного движения.
• Бесконтактная коммутация:Обнаружение объектов в торговых автоматах, системах безопасности и промышленной автоматизации.
• Определение края:В принтерах и сканерах для обнаружения наличия бумаги или краев носителя.
• Прямой монтаж на плату:Подходит для применений с монтажом в отверстия печатной платы, где требуется надежная, гальванически развязанная коммутация.

8.2 Особенности проектирования

• Ограничение тока:Всегда используйте последовательный резистор с ИК-светодиодом для ограничения прямого тока (I_F) до желаемого значения, обычно 20 мА или менее для долгосрочной надежности.
• Нагрузочный резистор:Резистор подтяжки обычно подключается между коллектором фототранзистора и напряжением питания (V_CC). Его номинал (например, 1 кОм) влияет на размах выходного напряжения и скорость переключения.
• Окружающий свет:Хотя фильтр 940 нм помогает, проектирование физического барьера или кожуха для защиты датчика от прямых источников ИК-излучения в окружающей среде (таких как солнечный свет или лампы накаливания) повышает надежность.
• Время отклика:Для высокоскоростных применений учитывайте типичное время нарастания/спада 20 мкс и убедитесь, что схема управления может его обеспечить.
• Тепловой режим:Соблюдайте кривые снижения мощности, особенно в условиях высокой температуры окружающей среды.

9. Техническое сравнение и отличия

ITR8104 предлагает сбалансированный набор характеристик. Его длина волны 940 нм обеспечивает хорошую защиту от помех видимого света. Конструкция с боковым расположением и сходящимися осями обеспечивает четко определенный зазор для обнаружения, что делает его подходящим для определения края и точного позиционирования объектов. Высокое быстродействие 20 мкс позволяет использовать его в приложениях для подсчета или кодирования на умеренных скоростях. Корпус для монтажа в отверстия обеспечивает надежное механическое крепление для применений, подверженных вибрации. По сравнению с отражательными датчиками, прерыватели обеспечивают более четкий сигнал вкл/выкл, поскольку на них не влияет отражательная способность целевого объекта.

10. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

10.1 Какой типичный рабочий ток для ИК-светодиода?

Электрооптические характеристики указаны при I_F= 20 мА, что является распространенной и надежной рабочей точкой. Его можно нагружать до абсолютного максимума 50 мА для более высокой выходной мощности, но это требует тщательного контроля теплового режима и может снизить долгосрочную надежность.

10.2 Насколько чувствителен фототранзистор?

Ключевой параметр — I_C(ON), который гарантированно составляет не менее 0.5 мА, когда ИК-светодиод питается током 20 мА и V_CE=5В. Это обеспечивает надежный сигнал для цифровых интерфейсов переключения с подходящим резистором подтяжки.

10.3 Можно ли использовать этот датчик для обнаружения прозрачных объектов?

Нет. ITR8104 предназначен для обнаружения непрозрачных объектов, которые полностью прерывают инфракрасный луч. Прозрачные или полупрозрачные материалы могут пропускать достаточно ИК-света, не позволяя фототранзистору полностью выключиться.

10.4 Какое рекомендуемое расстояние между излучателем и детектором для объекта?

В техническом описании не указан максимальный зазор. Эффективный зазор определяется юстировкой и интенсивностью ИК-светодиода. Для надежной работы объект должен полностью занимать сходящийся оптический путь между двумя элементами. Типичное расстояние обнаружения составляет несколько миллиметров, определяемое механическим корпусом.

11. Практический пример проектирования и использования

Пример: Обнаружение замятия бумаги в принтере
ITR8104 установлен поперек пути движения бумаги. Вывод микроконтроллера управляет ИК-светодиодом через резистор 150 Ом (ограничивая I_Fдо ~20 мА при 3.3В). Коллектор фототранзистора подключен к цифровому входному выводу микроконтроллера через резистор подтяжки 4.7 кОм к напряжению 3.3В. В состоянии "бумага присутствует" бумага блокирует луч, фототранзистор выключен, и входной вывод считывает HIGH через подтяжку. Когда путь для бумаги свободен, ИК-свет достигает фототранзистора, включая его и опуская входной вывод до LOW. Микроконтроллер отслеживает этот вывод. Постоянное состояние HIGH, когда ожидается бумага, указывает на замятие или сбой подачи. Высокое быстродействие обеспечивает быстрое обнаружение замятия, а длина волны 940 нм предотвращает ложные срабатывания от комнатного освещения.

12. Принцип работы

ITR8104 работает по принципу детектирования модулированного света. Инфракрасный светодиод излучает фотоны с длиной волны 940 нм. Кремниевый фототранзистор, расположенный напротив светодиода, действует как приемник. Когда фотоны достаточной энергии попадают в базовую область фототранзистора, они генерируют электрон-дырочные пары. Этот фотоиндуцированный ток действует как базовый ток, заставляя транзистор проводить значительно больший коллекторный ток (фотоэлектрический эффект в сочетании с усилением транзистора). Наличие непрозрачного объекта на пути света останавливает попадание фотонов на фототранзистор, устраняя базовый ток и выключая транзистор. Это создает цифровой выходной сигнал, коррелирующий с наличием или отсутствием объекта.

13. Технологические тренды

Оптопрерыватели остаются фундаментальными компонентами в электромеханических системах. Современные тренды сосредоточены на миниатюризации (меньшие корпуса для поверхностного монтажа), интеграции дополнительных схем формирования сигнала (таких как триггеры Шмитта или усилители) внутри корпуса для обеспечения более чистого цифрового выхода и улучшенной устойчивости к загрязнениям окружающей среды. Также наблюдается тенденция к созданию более высокоскоростных вариантов для продвинутых применений в кодировании. Основной принцип оптического прерывания остается надежным благодаря своей гальванической развязке, бесконтактной природе и надежности по сравнению с чисто механическими переключателями.