Техническая документация на оптопрерыватель ITR9909 - Корпус 4.0мм - Длина волны 940нм

1. Обзор продукта

ITR9909 — это компактный модуль оптопрерывателя, предназначенный для бесконтактных приложений обнаружения. Он объединяет инфракрасный излучающий диод (IRED) и кремниевый NPN фототранзистор в едином корпусе из черной термопластичной пластмассы. Компоненты расположены рядом на сходящихся оптических осях. Основной принцип работы заключается в том, что фототранзистор обычно принимает излучение от расположенного рядом ИК-излучателя. Когда непрозрачный объект проходит через зазор между ними, он прерывает этот инфракрасный луч, вызывая обнаруживаемое изменение выходного состояния фототранзистора, что позволяет реализовать функции обнаружения объектов, определения положения или переключения.

1.1 Ключевые особенности и преимущества

• Быстрое время отклика:Позволяет обнаруживать быстро движущиеся объекты.
• Высокая чувствительность:Кремниевый фототранзистор обеспечивает сильный электрический отклик на инфракрасный свет.
• Специфическая длина волны:IRED излучает на пиковой длине волны (λp) 940 нм, которая невидима для человеческого глаза и помогает снизить влияние помех от окружающего видимого света.
• Соответствие экологическим нормам:Устройство производится без содержания свинца, соответствует директивам RoHS, EU REACH и стандартам по отсутствию галогенов (Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm).
• Компактная интеграция:Комбинированный корпус упрощает проектирование печатной платы и сборку для щелевых датчиков.

1.2 Целевые области применения

ITR9909 подходит для различных приложений, требующих надежного бесконтактного обнаружения:

• Вращающиеся энкодеры и датчики положения в компьютерных мышах и копировальных аппаратах.
• Обнаружение бумаги и определение края в сканерах и принтерах.
• Определение наличия диска в дисководах для гибких дисков и других накопителях.
• Универсальное бесконтактное переключение.
• Датчики на уровне платы, где требуется прямое монтаж.

2. Технические характеристики и углубленный анализ

2.1 Абсолютные максимальные параметры

Эксплуатация устройства за пределами этих пределов может привести к необратимому повреждению. Все параметры указаны при Ta=25°C, если не оговорено иное.

• Вход (IRED):
  • Рассеиваемая мощность (Pd): 75 мВт
  • Обратное напряжение (VR): 5 В
  • Постоянный прямой ток (IF): 50 мА
  • Пиковый прямой ток (IFP): 1 А (Длительность импульса ≤100мкс, Скважность 1%)
• Выход (Фототранзистор):
  • Рассеиваемая мощность коллектора (Pd): 75 мВт
  • Коллекторный ток (IC): 50 мА
  • Напряжение коллектор-эмиттер (BV_CEO): 30 В
  • Напряжение эмиттер-коллектор (BV_ECO): 5 В
• Окружающая среда:
  • 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 (на расстоянии 1/16 дюйма от корпуса)

2.2 Электрооптические характеристики

Типичные рабочие параметры при Ta=25°C определяют поведение устройства.

• Характеристики входа (IRED):
  • Прямое напряжение (V_F): Обычно 1.2В при IF=20мА (Макс. 1.5В). Увеличивается при более высоких импульсных токах.
  • Пиковая длина волны (λ_P): 940 нм (типично) при токе 20мА.
• Характеристики выхода (Фототранзистор):
  • Ток темновой утечки (I_CEO): Максимум 100 нА при V_CE=20В в полной темноте. Это ток утечки, определяющий уровень шума в состоянии \"выключено\".
  • Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (V_CE(sat)): Максимум 0.4В при I_C=2мА при достаточном освещении (1мВт/см²). Низкое V_CE(sat)желательно для четкого цифрового переключения.
  • Коллекторный ток (I_C(ON)): Минимум 200 мкА при V_CE=5В и I_F=20мА. Это гарантированный минимальный фототок в стандартных условиях испытаний.
• Динамические характеристики:
  • Время нарастания (t_r) и время спада (t_f): Обычно по 15 мкс каждый. Эти параметры, измеренные при определенных нагрузочных условиях (V_CE=5В, I_C=1мА, R_L=1кОм), определяют максимальную частоту переключения, которую устройство может надежно обрабатывать.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании представлены несколько графиков, иллюстрирующих ключевые зависимости между рабочими параметрами. Эти кривые необходимы для понимания поведения устройства в нестандартных условиях.

3.1 Кривые инфракрасного излучателя (IRED)

• Прямой ток в зависимости от температуры окружающей среды:Показывает снижение максимально допустимого прямого тока при увеличении температуры окружающей среды выше 25°C.
• Спектральная чувствительность:График относительной излучательной интенсивности в зависимости от длины волны с пиком на 940нм, показывающий узкую полосу пропускания излучателя.
• Относительная излучательная интенсивность в зависимости от прямого тока:Демонстрирует нелинейную зависимость между током накачки и световым выходом, который имеет тенденцию к насыщению при более высоких токах.
• Относительная излучательная интенсивность в зависимости от углового смещения:Иллюстрирует диаграмму направленности или угол обзора IRED, что критически важно для оптического выравнивания.

3.2 Кривые фототранзистора (PT)

• Рассеиваемая мощность коллектора в зависимости от температуры окружающей среды:Предоставляет кривую снижения мощности для выхода фототранзистора.
• Спектральная чувствительность:Показывает чувствительность фототранзистора в зависимости от длины волны, с пиковой чувствительностью, как правило, в ближней инфракрасной области, что соответствует излучателю на 940нм.
• Относительный коллекторный ток в зависимости от температуры окружающей среды:Указывает, как коэффициент усиления или чувствительность фототранзистора изменяются с температурой.
• Коллекторный ток в зависимости от облученности:Фундаментальная кривая, показывающая линейную (или близкую к линейной) зависимость между мощностью падающего света (облученностью) на фототранзисторе и результирующим коллекторным током.
• Темновой ток коллектора в зависимости от температуры окружающей среды:Показывает, как ток утечки (I_CEO) увеличивается экспоненциально с ростом температуры, что может повлиять на соотношение сигнал/шум в высокотемпературных приложениях.
• Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер:Аналогично выходной характеристике транзистора, показывает рабочие области для различных уровней освещенности.

3.3 Кривая полного модуля (ITR)

• Относительный коллекторный ток в зависимости от расстояния до датчика:Это критически важная кривая на системном уровне. Она показывает, как принимаемый сигнал (коллекторный ток) изменяется при изменении расстояния между прерывающим объектом и щелью датчика. Она определяет эффективный диапазон обнаружения и взаимосвязь между положением объекта и силой выходного сигнала.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса

ITR9909 поставляется в стандартном корпусе для монтажа в отверстия. Ключевые размеры с чертежа включают:

• Общую ширину и высоту корпуса, определяющие размер щели.
• Расстояние между выводами и их диаметр для монтажа на печатную плату.
• Ширину зазора между внутренним IRED и фототранзистором, которая определяет размер обнаруживаемого объекта.
• На чертеже размеров указан стандартный допуск ±0.25мм, если не оговорено иное.

4.2 Идентификация полярности

Устройство использует стандартную конфигурацию выводов, общую для многих оптопрерывателей: Анод и Катод для входа IRED, и Коллектор и Эмиттер для выхода фототранзистора. На корпусе обычно есть маркировка или выемка для обозначения вывода 1.

5. Рекомендации по сборке и обращению

5.1 Рекомендации по пайке

Абсолютный максимальный параметр указывает, что выводы можно паять при 260°C не более 5 секунд, при условии, что точка пайки находится на расстоянии не менее 1/16 дюйма (примерно 1.6мм) от пластикового корпуса. Это необходимо для предотвращения термического повреждения эпоксидного корпуса и внутренних проводных соединений. Для волновой или конвекционной пайки следует соблюдать стандартные профили для компонентов для монтажа в отверстия с аналогичными термическими ограничениями.

5.2 Хранение и обращение

Устройство должно храниться в указанном диапазоне температур от -40°C до +85°C в сухой среде. При обращении следует соблюдать стандартные меры предосторожности от электростатического разряда (ESD), поскольку внутренние полупроводниковые компоненты чувствительны к повреждению от статического электричества.

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Спецификация упаковки

Стандартное количество в упаковке следующее:

• 150 штук в пакете.
• 5 пакетов в коробке.
• 10 коробок в картонной коробке.

6.2 Информация на этикетке

На этикетке продукта содержится несколько кодов для отслеживаемости и спецификации:

• CPN:Номер продукта заказчика.
• P/N:Номер продукта производителя (например, ITR9909).
• QTY:Количество в упаковке.
• CAT, HUE, REF:Вероятно, относятся к внутренним кодам сортировки по параметрам, таким как ранг световой интенсивности, ранг доминирующей длины волны и ранг прямого напряжения, хотя конкретные детали сортировки в этом отрывке технического описания не приводятся.
• LOT No:Номер производственной партии для отслеживаемости.

7. Соображения по проектированию приложений

7.1 Проектирование схемы

Проектирование с использованием ITR9909 включает две основные схемы:

1. Схема управления IRED:Стандартным решением является простой токоограничивающий резистор, включенный последовательно с IRED. Значение резистора рассчитывается как R = (V_CC- V_F) / I_F. Для надежной работы и длительного срока службы рекомендуется запитывать IRED на типичном токе 20мА или ниже, если только для специальных требований к соотношению сигнал/шум не требуется импульсный высокоточный драйвер.
2. Выходная схема фототранзистора:Фототранзистор может использоваться в двух распространенных конфигурациях:
   • Ключевой режим (Цифровой выход):Подключите подтягивающий резистор от коллектора к V_CC. Эмиттер заземлен. Когда свет падает на транзистор, он включается, опуская напряжение коллектора до низкого уровня (близко к V_CE(sat)). Когда луч прерывается, транзистор выключается, и подтягивающий резистор поднимает напряжение коллектора до высокого уровня. Значение подтягивающего резистора определяет скорость переключения и потребление тока.
   • Линейный режим (Аналоговый выход):При использовании фототранзистора в схеме с общим эмиттером с коллекторным резистором напряжение на коллекторе будет изменяться приблизительно линейно в зависимости от количества принимаемого света, что полезно для аналогового определения положения.

7.2 Оптические соображения

• Выравнивание:Точное механическое выравнивание пути объекта со щелью датчика имеет решающее значение для стабильной работы.
• Окружающий свет:Хотя фильтр 940нм и согласованный датчик обеспечивают хорошее подавление видимого света, сильные источники инфракрасного света (например, солнечный свет, лампы накаливания) могут вызывать помехи. Использование модулированного ИК-сигнала и синхронного детектирования может значительно повысить помехоустойчивость к окружающему свету.
• Характеристики объекта:Датчик обнаруживает прерывание луча. Объект должен быть непрозрачным для инфракрасного света с длиной волны 940нм. Полупрозрачные материалы могут обнаруживаться ненадежно.

8. Техническое сравнение и дифференциация

ITR9909 представляет собой стандартное, надежное решение на рынке оптопрерывателей. Его ключевыми отличительными особенностями являются специфическая комбинация IRED на 940нм с кремниевым фототранзистором в компактном корпусе с боковым обзором. По сравнению с отражательными датчиками, прерыватели обеспечивают более четкий сигнал \"включено/выключено\", так как они менее подвержены изменениям отражательной способности или цвета объекта. Указанное быстрое время отклика (типично 15мкс) делает его подходящим для приложений измерения скорости или кодирования, в то время как высокая чувствительность обеспечивает хороший сигнал даже при более низких токах накачки или в запыленных условиях. Соответствие экологическим нормам (RoHS, без галогенов) является критически важным фактором для современного производства электроники.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

9.1 Какова максимальная скорость или частота обнаружения?

Максимальная частота переключения ограничена временем нарастания и спада (t_r, t_f), обычно по 15мкс каждое. Консервативная оценка для полного цикла включения-выключения составляет примерно в 4-5 раз больше суммы этих времен, что предполагает максимальную практическую частоту в диапазоне 10-15 кГц. Это подходит для большинства приложений механического кодирования.

9.2 Как выбрать значение токоограничивающего резистора для IRED?

Используйте формулу R = (Напряжение питания - V_F) / I_F. Для питания 5В и работы в типичных условиях испытаний 20мА, при V_F~1.2В, R = (5 - 1.2) / 0.02 = 190 Ом. Подойдет стандартный резистор на 180 или 200 Ом. Всегда убеждайтесь, что расчетная рассеиваемая мощность на резисторе находится в пределах его номинала.

9.3 Почему выходной сигнал нестабилен или зашумлен?

Возможные причины включают: 1) Недостаточный ток накачки IRED, приводящий к слабому сигналу. 2) Высокий уровень окружающего инфракрасного света. 3) Темновой ток фототранзистора (который увеличивается с температурой), становящийся значительным относительно фототока. 4) Электрические помехи на линиях питания. Решения включают увеличение I_F(в пределах допустимого), добавление оптического экранирования, реализацию модуляции сигнала, использование подтягивающего резистора с меньшим номиналом для более быстрого отклика и обеспечение хорошей развязки источника питания.

9.4 Можно ли использовать этот датчик на улице?

Прямой солнечный свет содержит значительное количество инфракрасного излучения на длине волны 940нм, что может насытить фототранзистор и препятствовать правильной работе. Для использования на открытом воздухе настоятельно рекомендуется тщательная оптическая фильтрация, конструкция корпуса для блокировки прямого солнечного света и использование модулированных ИК-сигналов.

10. Принцип работы и технологические тренды

10.1 Принцип работы

ITR9909 работает по принципу прерывания проходящего света. Электрический ток, протекающий через инфракрасный светоизлучающий диод (IRED), заставляет его излучать фотоны на пиковой длине волны 940 нанометров. Эти фотоны проходят через небольшой воздушный зазор и попадают в базовую область NPN кремниевого фототранзистора. Фотоны генерируют электрон-дырочные пары в переходе база-коллектор, который эффективно действует как фотодиод. Этот фототок затем усиливается транзисторным действием устройства, что приводит к гораздо большему коллекторному току, который легко может быть измерен внешней схемой. Когда объект физически блокирует путь между излучателем и детектором, поток фотонов прекращается, фототок падает почти до нуля, и транзистор выключается, сигнализируя о наличии объекта.

10.2 Технологический контекст и тренды

Оптопрерыватели, такие как ITR9909, являются зрелыми, хорошо изученными компонентами. Современные тенденции в этой области сосредоточены на нескольких направлениях:

• Миниатюризация:Разработка корпусов для поверхностного монтажа (SMD) меньшего размера для экономии места на плате в современной потребительской электронике.
• Интеграция:Включение дополнительных схем на кристалле, таких как триггеры Шмитта для цифрового выхода, усилители для аналогового выхода или даже полные интерфейсы логического уровня (например, выход с открытым стоком).
• Повышение производительности:Улучшение скорости для энкодеров с более высоким разрешением, снижение энергопотребления для устройств с батарейным питанием и повышение чувствительности для работы с меньшими токами накачки или большими зазорами обнаружения.
• Специализация:Создание вариантов с различной шириной щели, формой апертуры или спектральной характеристикой для конкретных рыночных сегментов, таких как автомобилестроение, промышленная автоматизация или медицинские устройства.

Фундаментальный принцип оптического прерывания остается надежным и экономически эффективным методом бесконтактного обнаружения, обеспечивая его постоянную актуальность в широком спектре электромеханических систем.